CC BY
48
DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10922 УДК 631.8; 631.171
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОЧИХ ОРГАНОВ КУЛЬТИВАТОРА-УДОБРИТЕЛЯ ДЛЯ ТРЕХСЛОЙНОГО ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО ВНЕСЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ
С. О. НУКЕШЕВ1, доктор технических наук, профессор (e-mail: [email protected])
Я. П. ЛОБАЧЕВСКИЙ2, доктор технических наук, член-корреспондент РАН, зам. директора
Г. И. ЛИЧМАН2, доктор технических наук, главный специалист (e-mail: [email protected])
К. Д. ЕСХОЖИН1, кандидат технических наук, доцент (e-mail: [email protected])
К. М. ТЛЕУМБЕТОВ1, магистр, докторант А. Б. РУСТЕМБАЕВ1, магистр, докторант 1Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина, просп. Победы, 62, Астана, 010011, Республика Казахстан
2Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 1-й Институтский проезд, 5, Москва, 109428, Российская Федерация
Резюме. При минимальной и нулевой технологиях возделывания зерновых культур большое значение имеет внутрипочвенное внесение основной дозы минеральных удобрений. На предназначенных для этой цели плоскорезах-глубокорыхлителях КПГ-2,2 и глубокорыхлителях-удобрителях ГУН-4 высевающие системы не в полной мере отвечали агротехническим требованиям по качеству высева, а заделывающие рабочие органы - по качеству распределения удобрений внутри почвы. Цель исследований - производственная проверка и обоснование параметров рабочих органов экспериментального образца культиватора-удобрителя для трехслойного дифференцированного внесения минеральных удобрений. Орудие разработано учеными кафедры технической механики Казахского агротехнического университета им. С. Сейфуллина и Федерального научного агроинженерного центра ВИМ. В работе приведены результаты экспериментальных исследований для первых двух рядов его рабочих органов - стрельчатых сошников. Лабораторно-полевые исследования показали, что ширина внесения удобрений экспериментального стрельчатого сошника культиватора-удобрителя с оптимальными параметрами при скорости машины 6...8 км/ч и средней норме 280 кг/га составляет 16...18 см. При установочной глубине обработки почвы по ярусам 8...12см, 16...18 и 20...27см орудие обеспечивает рыхление почвы и дифференцированное внесение минеральных удобрений на глубину соответственно 8,3...13,7, 14,8...16,8 и 25,2...28,7см. Неравномерность распределения удобрений по ширине захвата составила 14,2 %, что в пределах агротехнических требований. Неравномерность высева между высевающими аппаратами у экспериментальной машины на 30 % меньше, чем у базовой. Ширина распределения удобрений у опытной машины достигает 0,48...0,50 м. Сохранение стерни на поле после прохода агрегата варьировало от 65,2 до 73,9 %. Ключевые слова: минеральные удобрения, высевающий аппарат, культиватор-удобритель, штифтовая катушка, желобчатая катушка, плоскорез-удобритель, распределитель. Для цитирования: Результаты экспериментальных исследований рабочих органов культиватора-удобрителя для трехслойного дифференцированного внесения минеральных удобрений / С. О. Нукешев, Я. П. Лобачевский, Г. И. Личман и др. // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 9. С. 93-96. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10922.
принципах ресурсосбережения с использованием минимальной и нулевой обработки почвы, возникают сложности с реализацией технологического процесса внесения основной дозы минеральныхудобрений. Поверхностное разбросное внесение удобрений связано с большим их расходом, неравномерностью внесения (до 40...70 %), а зернотуковые сеялки не обеспечивают заделку высокой основной дозы удобрений [1, 2]. В условиях Северного Казахстана, где расположены основные площади посевов зерновых культур, в том числе пшеницы, важное значение имеет внутрипочвенное внесение основной дозы минеральных удобрений один раз в 4...5 лет. Высевающие системы на изначально не предназначенных для этой цели плоскорезах-глубокорыхлителях КПГ-2,2 и глубокорыхлителях-удобрителях ГУН-4 не в полной мере удовлетворяют агротребованиям по качеству внесения, а заделывающие рабочие органы - по распределению удобрений в почве [3, 4]. Поэтому разработка технологий и технических средств для решения указанной проблемы - актуальная задача.
Цель исследований - обоснование параметров стрельчатых рабочих органов 1-го и 2-го ряда экспериментального образца культиватора-удобрителя для трехслойного дифференцированного внесения минеральных удобрений и производственная проверка орудия.
Условия, материалы и методы. С учетом существующих способов обработки почвы на кафедре технической механики Казахского агротехнического университета им. С. Сейфуллина в содружестве с Федеральным научным агроинженерным центром ВИМ был разработан культиватор-удобритель для послойного дифференцированного внесения минеральных удобрений в системе точного земледелия. Одним из основных требований, поставленных перед проектированием машины, была возможность ее использования для реализации несколько видов обработки почвы [5, 6]. С целью снижения возможного забивания растительными остатками рабочие органы 1-го и 2-го ряда были выдвинуты
При использовании современных технологий Рис. 1. Технологическая схема распределения удобрений
возделывания зерновых культур, основанных на в почве.
вперед. Они представляют собой стрельчатые лапы с шириной захвата 0,33 м, и предназначены для обработки почвы и внесения удобрений на глубину 2-го яруса 16...20 см. Рабочие органы 3-го и 4-го ряда -плоскорезные двухярусные лапы, представляющие собой стойки с закрепленными на них верхними и нижними плоскорезными лапами с шириной захвата 45 и 50 см, углом раствора 75° и установленным впереди на нижней лапе долотом. Они проводят плоскорезную обработку и внесение минеральных удобрений на первый и третий ярусы, на глубину 8...12 см и 20...27 см.
Такое расположение рабочих органов позволяет дифференцированно вносить каждый вид удобрения экраном (в виде ленты) на глубины 8...12, 16...18 и 20...27 см, при этом ширина ленты удобрений должна составить 40...45 см; 28...30 и 45...50 см соответственно (рис. 1).
Стрельчатый сошник для внутрипочвенного внесения удобрений состоит из стойки-тукопровода, к которому прикреплена стрельчатая лапа. Внутри стойки установлен завихритель, в нижней части которого укреплен конус-рассеиватель, размещенный в подлаповом пространстве стрельчатой лапы в зоне, свободной от почвы. Подлаповое пространство закрыто верхним щитком.
Распределение гранул удобрений в подлаповом пространстве достигается в результате движения их со значительными начальными скоростями в направлении параллельном плоскости дна борозды при минимальном вертикальном рассеивании. Такой характер перемещения гранул обусловлен тем, что на спиралях завихрителя стойки-тукопровода они получают вращательное движение.
Оптимальные параметры стрельчатых рабочих органов 1-го и 2-го ряда экспериментального образца культиватора-удобрителя определяли с использованием метод планирования экспериментов. Работу проводили при высеве гранулированного суперфосфата с удовлетворительной рассеиваемостью (см. табл.). Эксперимент был поставлен по программе центрального композиционного ротатабельного планирования второго порядка.
Таблица. Матрица планирования экспериментов*
Наименование
Натуральные
Кодированные Уровень варьирования
+1,682 +1 0 -1
-1,682
угол подъема винтовой линии, а
*1
5,27
8 12 16 18,7
*параметр оптимизации (У) - неравномерность распределения по ширине, Н3.
Ширину распределения удобрений определяли в лабораторных условиях на бесконечно бегущей ленте и в полевыхусловиях визуально вертикальным срезом почвы при максимальной дозе до 300 кг/ га. Глубину заделки удобрений также определяли путем вертикального среза почвы при оптимальной скорости агрегата 8,0 м/с и максимальной дозе удобрений.
Опыты по определению качественных показателей работы орудия с оптимальными параметрами осуществляли с использованием движущейся транс-
Рис. 2. Экспериментальный культиватор-удобритель.
портерной ленты с закрепленными клейкими лентами и в почвенном канале.
Исследования проводили в лабораториях технического факультета КАТУ им. С. Сейфуллина и на полях АО «Акмола-Феникс» Целиноградского района Акмолинской области с 21 июля по 21 сентября 2017 г. на обработке пара и стерни с одновременным вну-трипочвенным внесением минеральных удобрений (рис. 2).
В качестве сравниваемой машины был взят рыхлитель-удобритель РУН-4 «Минерал», предназначенный для основной обработки чистых паров и зяби с одновременным внутрипочвенным внесением основной дозы минеральных удобрений на глубину до 27 см.
Лабораторно-полевые испытания осуществляли на общерекомендуемой для сельскохозяйственных агрегатов скорости движения 8,0 км/ч. На опытном участке поля камни отсутствовали, но имелись растительные остатки. Рельеф был ровным без уклона. Микрорельеф выровненный с однородным почвенным типом, гребнистость 4,2 см. Предшествующую обработку проводили в летнее время,
плоскорезом на глубину до 16 см. Тип почвы - темно-каштановый, гранулометрический состав - сред-несуглинистый. Влажность почвы в среднем горизонте (5...15 см) не превышала 28,15 %, что несколько больше оптимальной по агротехническим требованиям. Перед проведением опытов в соответствии с ГОСТ 20915-2011 определяли твердость почвы - в паровом поле она составляла 1,1 МПа, по стерневому фону - до 2,1 МПа. Перечисленные условия работы характерны для умеренно влажного и продолжительного агросезона 2017 г. Всего обработано 160 га парового и 18 га стерневого поля.
Результаты и обсуждение. В результате математической обработки данных эксперимента по выбору оптимальных конструктивных и технологических параметров стрельчатого рабочего органа 1-го и 2-го ряда экспериментального образца культиватора_ Достижения науки и техники АПК. 2018. Т 32. № 9
Входные факторы
высота завихрителя, Н, мм
127,2 100 60 20 7,28
угол конуса,
а1
7^6 6 4 2
0,636
удобрителя было получено следующее уравнение регрессии неравномерности распределения по ширине ленты:
У3 =30,86- 0,307х, + 0,183х2 - 0,549х3 + 0,З87х,х2 + + 1,112х,х3 -1, 237х2х3 +1,689х,2 + 0,706х2 +1,885х32, (1)
Из-за сложности анализа уравнения второй степени для получения представления о геометрическом образе функции отклика соответствующая ей зависимость путем преобразований была приведена к канонической форме (2):
Рис. 4. Исследование работы сошника в почвенном канале.
Рис. 3. Фрагменты внесения на липкую ленту.
У3 -20,8 = 1,826х2 +0,913х22 + 1,54х2. (2)
Рассматривая уравнение (2), следует отметить, что поверхность отклика представляет собой эллипсоид вращения с минимумом в центре, так как все коэффициенты имеют положительные знаки. Экстремум лежит в исследуемой области, что подтверждает правильность выбора пределов варьирования переменных факторов.
При раскодировании координат особой точки были получены натуральные значения факторов: угол подъёма винтовой линии а = 12°...12,5°, высота за-вихрителя Н = 59...60 мм; угол конуса а = 60°...65°, при этом неравномерность распределения удобрений по ширине ленты внесения составляет 10,8 %.
Результаты экспериментов по определению качественных показателей работы рабочих органов 1-го и 2-го ряда экспериментального образца культиватора-удобрителя с оптимальными параметрами свидетельствуют о том, что при скорости машины 6...8 км/ч и средней дозе удобрений 280 кг/га, ширина их внесения составляет 16...18 см (рис. 3, 4).
Рис. 5. Зависимости дальности полета частицы от угла между образующим и основанием конуса: 1 - теоретическая, 2 - по данным исследований в поле, 3 - по лабораторным данным.
Результаты анализа зависимости дальности полета частицы от угла между образующим и основанием конуса (рис. 5) свидетельствуют, что теоретические расчеты (кривая 1) хорошо согласуются с экспериментальными данными (кривые 2 и 3). Наибольшая дальность полета частиц удобрения в лабораторных исследованиях объясняется большим расстоянием между стрельчатой лапой сошника и бесконечной лентой. Следовательно, при увеличении высоты подлапо-вого пространства для стрельчатых рабочих органов 1-го и 2-го рядов экспериментального орудия можно получить ширину их ленты удобрений до 23 см.
Производственная проверка экспериментального образца культиватора-удобрителя для трехслойного дифференцированного внесения минеральных удобрений показала, что усовершенствованный вариант экспериментального рабочего органа (последние 2 ряда) плоскореза-глубокорыхлителя-удобрителя при установочной глубине обработки почвы 8...12 см и 20...27 см обеспечили ее рыхление соответственно на глубину 8,3...13,7 и 25,2...28,7 см. Рабочие органы почвой не забиваются, технологических отказов не отмечено. Поверхность поля после прохода орудия характеризовалась незначительным повышением гребнистости по следу крайних рабочих органов.
Неравномерность распределения удобрений по ширине захвата составила 14,2 %, что находится в пределах агротехнических требований. По неравномерности высева между аппаратами опытная машина превосходила базовую на 27 % и в пределах
.Н
О- -0
У ■ ¿Е-05*: 51 - 00111' (№2 1Ь2В
•
« Г-' 1000Л- - даж«* 859 ;47
. 9
- [Облкт 1 ■ -0
50 ВО 150 200 250 300 350 100 450 £пза внесения кг/га
Рис. 6. Зависимости неравномерности распределения удобрений от дозы внесения: •-неравномерность распределения по ширине лапы; ■ - неравномерность распределения между аппаратами.
варьирования доз от 50 до 300 кг/га соответствовала требованиям агротехники. Причем в случае внесения высоких доз (200...300 кг/га) гранулированных удобрений неравномерность высева между аппаратами резко снижается до 6...7 % (рис. 6). Это объясняется сглаживанием порционности высева, присущей желобчато-катушечным высевающим аппаратам при низкой норме высева.
Для экспериментальной машины ширина распределения удобрений плоскорезными рабочими органами достигала 0,48...0,5 м, для базовой -0,02...0,06 м.
Определение глубины заделки удобрений на минимальной скорости 6 км/ч показало, что базовая машина располагает удобрения на глубине около 20 см, а экспериментальная распределяла их в три яруса на глубинах 10,8; 17,5 и 28,3 см. Сохранение стерни на поле после прохода экспериментального агрегата варьировало в пределах от 65,0 до 73 % (базовый агрегат - 50,0.65 %).
Выводы. Получение равномерно распределенной ленты удобрений внутри почвы достигается применением технического решения, стабилизирующего распределения гранул минеральных удобрений в поперечном сечении стойки стрельчатого сошника
благодаря сообщению гранулам удобрений вращательного движения. Ширина внесения удобрений рабочих органов 1-го и 2-го ряда - экспериментальных стрельчатых сошников культиватора-удобрителя для послойного дифференцированного внесения минеральных удобрений с оптимальными параметрами при скорости машины 6...8 км/ч и средней норме 280 кг/га составляет 16...18 см.
Рабочие органы последних 2-х рядов - плоскорезы-глубокорыхлители-удобрители обеспечивают рыхление почвы на глубину 8,3...13,7 и 25,2...28,7 см и вносят ленты удобрений 45...50 см с неравномерностю распределения удобрений по ширине захвата до 14,2 %.
Разработанное техническое средство с помощью автоматизированной высевающей системы и ступенчато расположенных в три уровня заделывающих рабочих органов позволяет осуществлять дифференцированное внутрипочвенное послойное внесение минеральные удобрения на глубину 8,3...13,7, 14,8...16,8 и 25,2...28,7 см. При этом фосфорные удобрения можно расположить горизонтальной лентой ближе к семенам во влажном слое почвы, а азотные - на разных глубинах, что позволит корням растений получать необходимое минеральное питание в разные периоды вегетации.
Литература.
1. Грибановский А. П., Бидлингмайер А. П. Комплекс противоэрозионных машин (теория, проектирование). Алматы: Кайнар, 1990. С. 180-183.
2. Casestudy: distribution uniformity of ablended fertilizer applied using avariable-ratespinner-discspreader / S. S. Virk, D. K. Mullenix, A. Sharda, etc. //Applied Engineering in Agriculture. 2013. Vol. 29 (5). Рр. 1-10.
3. Rucins A., Vilde A. Impact of the Plough Body Parameters on the soil tillage efficiency // Proceedings 5th International Scientific Conference. Engineering for Rural Development. Jelgava: Latvia University of Agriculture Faculty of Engineering, 2006. Pp. 42-47.
4. Лобачевский Я. П. Новые почвообрабатывающие технологии и технические средства//Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2000. № 8. С. 30-32.
5. Justification of design and parameters of seeding unit for fertilizers / S. Nukeshev, К. Eskhozhin, D. Eskhozhin, etc. // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. Vol. 39. No. 4. Pp.1139-1149.
6. Effect of Loading Rate on Mechanical Characteristics of Wheat and Rice Straw/ F. A. Chandi, C. Ji, A. A. Tagar, etc. // Bulg. J. Agric. Sci. 2013. Vol. 19. Pp. 1452-1458.
7. Manuwa S. I., Ademosun O. C. Draught and Soil Disturbance of Model Tillage Tines under Varying Soil Parameters // Agricultural Engineering International: the CIGR EJournal. 2007. Vol. IX. March. Pp. 6-16.
RESULTS OF EXAMINATION OF WORKING BODIES OF CULTIVATOR-APPLICATOR DISTRIBUTOR FOR THREE-LAYERED DIFFERENTIATED APPLICATION OF MINERAL FERTILIZERS
S. O. Nukeshev1, Ya. P. Lobachevskii2, G. I. Lichman2, K. D. Eskhozhin1, K. M. Tleumbetov1, A. B. Rustembaev1
1S. Seifullin Kazakh Agrotechnical University, prosp. Pobedy, 62, Astana, Republic of Kazakhstan
2Federal Scientific Agricultural Engineering Center of All-Russian Mechanization Institute, 1-i Institutskii proezd, 5, Moskva, 109428, Russian Federation
Abstract. With minimal and zero technologies of cereal cultivation, the subsoil application of the main dose of mineral fertilizers is of great importance. Sowing systems of KPG-2.2 subsurface plough and GUN-4 deep tillage cultivator-applicator, intended for this purpose, did not fully meet the agrotechnical requirements for the quality of sowing, and incorporating working bodies did not meet the requirements for the quality of fertilizer distribution in the soil. The purpose of the research was the industrial verification and justification of the parameters of working bodies of the experimental sample of a cultivator-applicator for three-layered differentiated application of mineral fertilizers. The unit was developed by scientists of the Department of Technical Mechanics of S. Seifullin Kazakh Agrotechnical University and Federal Scientific Agroengineering Center, All-Russian Institute of Mechanization. The paper presents the results of experimental studies of the first two rows of working organs - arrow-shaped coulters. Laboratory-field studies showed that the width of fertilizer application by the experimental arrow-shaped coulter of the cultivator-applicator was 16-18 cm at the optimal parameters with machine speed of 6-8 km/h and an average rate of 280 kg/ha. With the installation depth of tillage in layers of 8-12 cm, 16-18 and 20-27 cm, the implement provided loosening of the soil and differentiated application of mineral fertilizers to the depth of 8.3-13.7, 14.8-16.8 and 25.2-28.7 cm, respectively. The variation of distribution of fertilizers along the grasp width was 14.2 %, which met the agrotechnical requirements. The unevenness of seeding between the sowing apparatus of the experimental machine is 30% less than that of the base machine. The width of the distribution of fertilizers in the experimental machine was 0.5 m. From 65.2 to 73.9% of stubble remained on the field after the passage of the aggregate.
Keywords: mineral fertilizers; sowing apparatus; cultivator-applicator; stud wheel; grooved coil; deep tillage cultivator-applicator; distributor.
Author Details: S. O. Nukeshev, D. Sc. (Tech.), prof. (e-mail: [email protected]); Ya. P. Lobachevskii, D. Sc. (Tech.), corresponding member of the RAS, deputy director; G. I. Lichman, D. Sc. (Tech.), main specialist (e-mail: [email protected]); K. D. Eskhozhin, Cand. Sc. (Tech.), assoc. prof. (e-mail: [email protected]); K. M. Tleumbetov, master, doctoral student; A. B. Rustembaev, master, doctoral student.
For citation: Nukeshev S. O., Lobachevskii Ya. P., Lichman G. I., Eskhozhin K. D., Tleumbetov K. M., Rustembaev A. B. Results of Examination of Working Bodies of Cultivator-Applicator Distributor for Three-Layered Differentiated Application of Mineral Fertilizers. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2018. Vol. 32. No. 9. Pp. 93-96 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10922.
