Совершенствование технологий производства растениеводческой продукции на агроэкологической основе Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

2. Повышенная путеемкость фаз набора и трелевки пачки указывает на необходимость совершенствования кинематики движения агрегата при выполнении данных работ. Положительные результаты в этом направлении можно ожидать от замены лебедки с канатно-чокерной оснасткой на гидроманипулятор с самозажимным коником и применения на тракторе реверсивного поста управления. Эти мероприятия дадут возможность значительно сократить путь рабочего и холостого режимов работы агрегата. Кроме того, подтаскивание хлыстов с пасеки гидроманипулятором в большой степени уменьшит путь агрессивного воздействия на лесную среду.

3. Полезный путь, при котором совершается рабочий режим агрегата, составляет 30,2 % сменного пути, а каната лебедки - 3,3 %, то есть 66,5 % сменного пути движения трелевочного агрегата и его оснастки, перемещаемой как лебедкой, так и человеком, расходуется на выполнение вспомогательных операций. Приведенные данные говорят о необходимости совершенствования кинематики движения.

4. Для сведения к минимуму вредные воздействия на лесной биоценоз необходимо учитывать при проектировании кинематики движения дополнительный путь для поддержания экологического равновесия лесной среды.

Литература

1. Прохоров В.Б. Эксплуатация машин лесозаготовительной промышленности. - М.: Лесн. пром-сть, 1976. - 34 с.

2. Винокуров Г.К. Технология лесозаготовок. - М.: Лесн. пром-сть, 1984. - 294 с.

'--------♦-----------

УДК 631.548.9 М.В. Орешкин

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА РАСТЕНИЕВОДЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ

НА АГРОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ

В статье рассмотрены вопросы объемной обработки почвы орудиями на основе плоскорезов. Дается обоснование расстановки рыхлителей на плоскости и в объеме.

Ключевые слова: рыхлитель, рациональная расстановка, повозащитная обработка.

M. V. Oreshkin PERFECTION OF THE TECHNOLOGIES OF PLANT GROWING PRODUCTS PRODUCTION ON THE AGROECOLOGICAL BASIS

The issues of volumetric tilling by means of the tools made on the basis of the flat hoes are considered in the article. The reasoning of the cultivators allocation on a plane and in a volume is given.

Key words: cultivator, rational allocation, soil protective cultivation.

В настоящее время, вследствие всемирного экологического кризиса, диаметрально изменилась система подходов и научных представлений о дальнейших путях развития и ведения, как растениеводства, так и земледелия в целом.

Целью исследований явились методы увеличения производства сельскохозяйственной продукции при рациональном использовании материальных ресурсов, сохранении окружающей среды и почвенного плодородия.

Основные задачи были следующими:

1. Разработать основные положения и обосновать закономерности и особенности формирования и совершенствования подсистем технологий производства растениеводческой продукции в техногенноизме-ненной среде.

2. Дать всестороннюю оценку применения усовершенствованных подсистем технологий для производства растениеводческой продукции.

Научная новизна работы подтверждается 8 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения (а.с. 1496662, 1725781, 1766292; патенты РФ 2091997; 2102844; 2102846; 2240661; 2260929).

При получении продукции растениеводства, обрабатывая почву и ухаживая за агроценозами, имеем следующее:

1. Урожай сельскохозяйственных растений мы получаем лишь потому, что смещаем равновесие в агроценозе в сторону плодоношения. Смещение же равновесия - это есть перераспределение информации и энергии, приносящее дополнительный выход вещества.

2. Обработки почвы способствуют увеличению плодоношения, поскольку изменяются почвенные условия и регулируются энергетические потоки внутри почвы и в агроценозе в целом.

3. Обработки почвы могут ее же и разрушать. Исходя из этого, обрабатывать почву можно только в том случае, если данные обработки являются почвоохранными и почвозащитными [1].

С другой стороны стоит задача по сохранению компонентов ценоза в рабочем состоянии и, в первую очередь, почвы от разрушения и поддерживать ее плодородие на постоянном уровне неопределенно долгое время. И если в первой задаче мы имеем дело с процессами динамическими, то во втором - со статическими. Отсюда налицо возникновение противоречия, которое порождает вакантный узел. Таким образом, имеется надсистема, в определенной зоне которой возник вакантный узел (V). Для снятия противоречия требуется поместить в него систему, способную выполнить выдвигаемые в узле требования и снять противоречие. На рисунке 1 дана обобщенная схема системных связей при снятии внутренних противоречий и решении поставленной задачи. Далее рассматриваются вопросы решения проблем, которые возникают при создании новой техники и технологий, основанных на использовании и применении традиционных принципов, заложенных в ныне существующей земледельческой технике и технологических системах [2].

Рис. 1. Общая схема системных связей при снятии внутренних противоречий

На рисунке 1 показано, что при взаимодействии природной среды (и) и системы техники и технологий (О) возникает противоречие взаимодействия ^). В дальнейшем происходит снятие противоречий через трансформацию системы ^) надсистемы (О) и конфликта надсистем (О) и (и) через приведение надсисте-

мы @) путем ликвидации (замещения) вакантного узла (V) в соответствие с требованиями получения прибавочной продукции (за счет смещения равновесия, ассимметрии) и сохранения агроценозов и их компонентов.

Асимметрия является именно тем моментом, который порождает возможность получения дополнительного урожая в агроценозе при воздействии на него теми или иными способами (обработка почвы, внесение удобрений, и т.п.), то есть происходит смещение динамического равновесия в сторону плодоношения. Растения в своем развитии используют принципы филлотаксиса: спирального развития и сложные виды симметрии в пространстве. Но поскольку корневая система - это продолжение системы надземной, то и корневая система растений развивается по тем же принципам. Почвообрабатывающие машины созданы с использованием продольной осевой и/или продольной плоскостной симметрии. Движение почвообрабатывающих орудий является поступательным. И они должны преобразовать свое поступательное движение во вращательное движение почвенных частиц. В данном случае симметрия линейная в отношении продольной плоскости должна трансформироваться в симметрию с использованием спиралей, филлотаксиса или фракталов. Что касается объемной обработки почв, под которой мы понимаем обработку пахотного слоя почвы без значительного нарушения местонахождения почвенных слоев и компонентов, но с рыхлением и крошением приближающимися по качеству к отвальной вспашке, без уничтожения стерни на дневной поверхности, то она в определенной степени должна соответствовать принципам, заложенным в архимедову спираль и «динамический» прямоугольник (рис. 2).

з

Рис. 2. Схема взаимодействия рабочего органа для объемной обработки почвы с почвенной средой по типу архимедовой спирали: 1 - стойка; 2 - плоскорежущая лапа; 3 - зубовидный рыхлитель;

4 - архимедова спираль; 5 - «динамический» прямоугольник;

6 - зона перехода и максимального взаимодействия и рыхления

Рыхление в данном случае может значительно упроститься, поскольку зубовидный рыхлитель в идеале должен оказаться в зоне наименьшей устойчивости поднятого лемехом почвенного пласта и достаточно легко его разрушить, доведя до агрономически ценных агрегаций. В то время как при работе обычного плоскореза данная возможность не используется. В конечном итоге совмещение механических обработок с использованием данных подходов должно приводить к снятию противоречий, достижению высоких технологических показателей через соответствие совершаемых действий потребностям и самой природе фитоценозов, и имманентно присущим им специфическим свойствам в силу их онтогенеза, в том числе и такого свойства, как способность производить биомассу.

Далее мы воспользовались возможностями, которые предоставляются моделями тепло- и влагопере-носа в почве. Применение широко известных системообразующих принципов позволяет: сформулировать постановку задачи при конструировании сельскохозяйственных орудий на основе выбранной модели тепло-и влагопереноса; получить первичные результаты, пригодные для создания конструкторской патентной библиотеки. Известно, что при взаимодействии двух систем непременно происходит обмен информационными потоками. При этом общесистемный постулат максимума информации может быть изложен в виде

I( X,Y) = H(X) - H(X|Y) = H(Y) - H(Y|X) = max, X,Y (1)

где !(Х,У) - взаимная информация между параметрами Х ячейки Б1 и реакциями ячейки Э2;

Н(Х) - количество всех реакций-откликов ячейки

Н(Х|У) - количество неточных реакций ячейки Э1 на стимулы ячейки Э2 .

Н(У) - количество всех возможных реакций-откликов ячейки Э2 по стимулам ячейки Э1;

Н(У|Х) - количество неточных (неадекватных) откликов ячейки Э2 на стимулы ячейки

Соответственно, максимум информационных потоков наступает при максимуме энтропии Н(Х) или Н(У) для систем Э1 и Э2. Описание же влагопереноса в почве производится на основе модели изотермического диффузного уравнения влагопереноса в ненасыщенной среде

дg _ д\\> дх ді

(2)

Основано на учете объемной влажности почвы W и потоке влаги д. Таким образом, основными переменными характеристиками в задачах тепловлагопереноса являются температура почвы, объемная влажность и поток влаги. В случае неблагоприятного внешнего воздействия или особенностей роста возникают, например, иные конфигурации взаимодействия:

и(Х) < и(У) и(Х) < и®.

То есть, появляется ди = и(У) - 11(Х) = 110 - 11(Х) > 0. Тогда по соединительным каналам от растений 2 и 3 к растению 1 будет происходить транспортировка ресурсов до достижения нового равновесного состояния.

1 2 з

1 1 і 1 А / /

и(у) 1 и(х) , 11(2)

ди

Д1

Рис. 3. Схема транспортировки ресурсов: 1, 2, 3 - растения; 4 - почва

Более того, чем больше растений включаются в общую систему регулирования, то есть чем больше транспортных каналов физически организовано в грунте между растениями, тем более устойчивым к неблагоприятным воздействиям внешней среды оказывается отдельное растение (рис. 3). Таким образом, строится сеть транспортировки ресурсов между растениями, обеспечивающая саморегуляцию отдельных систем

Э,. Тогда вся растительная биомасса может рассматриваться как сложная система, отвечающая принципам самоорганизации. Эта ситуация создает предпосылки к рассмотрению задач по созданию способов обработки почвы (и соответствующих им орудий) на основе достаточно отработанных методов построения информационных сетей [3; 4].

Оценивая способ производства сельскохозяйственной продукции по критерию снижения себестоимости, неизбежно приходим к выводу о том, что сельскохозяйственное орудие должно вначале синтезироваться как схема, а затем и проектироваться под вполне определенный метод ведения хозяйства, а значит, под конкретную агрофизическую модель. Характерной особенностью этих орудий является обеспечение скольжения грунта по касательной к направлению движения за счет криволинейной формы рабочей поверхности рабочих органов орудий (рис. 4). В конечном итоге, синтез схем сельскохозяйственных орудий и их дальнейшее конструирование может быть приведено к задаче построения систем растений, обладающих способностью к саморегуляции по критерию максимума информационных, а соответственно, и ресурсных, потоков.

Рис. 4. Принципиальная схема орудия для создания внутрипочвенных каналов, вид спереди: 1 - стойка;

2 - рыхлители, изогнутые по тангенсоиде и пропеллерообразно; 3 - плоскорежущая лапа

Орудия с плоскорежущими рабочими органами не всегда отвечают задачам качественной обработки почвы. При совмещении плоскорезной обработки почвы с функциональными возможностями зубьев бороны обеспечивается рыхление почвы практически во всем объеме обрабатываемого слоя. Очевидно, что в предлагаемом плоскорезе зубья бороны должны быть установлены в зоне максимального крошения почвы. На лемехе плоскореза полностью укладываются самые длинные циклы разрушения почвы. Поэтому даже наиболее разрушенные, а следовательно, оказывающие минимальное сопротивление обработке зубьями бороны участки почвы находятся за лемехом плоскореза. Соответственно, для размещения рыхлящих элементов в продольно-вертикальной плоскости ХОZ с точки зрения уменьшения тягового сопротивления целесообразно выбрать эту зону. Схема треугольной бороны, крепежные элементы которой образуют равнобедренный треугольник, имеет то преимущество, что боковые силы, действующие на зубья, уравновешиваются между собой. Размещение рыхлящих элементов для объемного рыхления почвы в продольно-вертикальной плоскости (ХОZ) можно осуществить на треугольной раме, жестко закрепленной на подлапниках плоскореза, причем звенья этой рамы закреплены симметрично, что улучшает устойчивость движения в горизонтальной плоскости ХОУ. Необходимость внедрения в производство техники в короткие сроки приводит к созданию систем автоматизированного проектирования, основной задачей которых является определение напряженно деформированного состояния (НДС). Однако многие задачи не могут быть решены аналитически вследствие сложности геометрии конструкции и граничных условий, поэтому такие задачи обычно решаются численными методами, к которым относится, в частности, и метод конечных элементов (МКЭ).

При построении математической модели конечного элемента с п узлами эта зависимость имеет вид

Я

(1)

я ®

Я3(1)

(2)

(2)

я

(и)

я ?

(и)

я(и

(и)

к1,1 к 2,1 к к к. к, к

к12 к1( к1,4 к1,5 к1,6 к1,7 к18

к(и,1 к(и,2 к(и,( к (■ и,4 к(и,5 к(и,6 к(и,7 к(и,8

к1,(

,(1)

42)

,(2)

.(и)

*1

,(и)

или ^} = И^},

(3)

где ^} - вектор узловых реакций; И - матрица жесткости; ^} - вектор узловых перемещений.

На практике в качестве аппроксимирующих функций в пределах конечного элемента чаще применяют интерполяционные полиномы различной степени, называемые в МКЭ функциями формы. Таким образом, все процессы, связанные с обработкой почвы, сложны и неоднозначны. Для исследования процесса деформации почвы функцию, связывающую входные переменные с искомыми выходными параметрами, следует сформулировать при помощи вычислительной программы. Принимая почву сплошной средой, упрощенно объемное рыхление можно представить как прохождение в почвенном массиве двух зубьев (рис. 5).

к

к

к

к

к

к

к

к

2,2

2,(

2,4

2,5

2,6

2,7

2,8

2,(-и

к

к

к

к

к

к

к

к

(,2

(,(

(,4

(,5

(,6

(,7

(,8

(,(■ и

к

к

к

к

к

к

к

к

4,2

4,(

4,4

4,5

4,6

4,7

4,8

4,( и

к

к

к

к

к

к

к

к

5,2

5,(

5,4

5,5

5,6

5,7

5,8

5,(-и

2

к

к

к

к

к

к

к

к

6,2

6,(

6,4

6,5

6,6

6,7

6,8

6,9

(

(

к

к

к

к

к

к

к

к

7,2

7,(

7,4

7,5

7,6

7,7

7,8

7,( и

к

к

к

к

к

к

к

к

к

8

8,2

8,(

8,4

8,5

8,6

8,7

8,8

8,(-и

2

к

и

и

(• и,( и

(

Рис. 5. Прохождение двух зубовидных рыхлителей через массив почвы:

1 - зубовидные рыхлители (схематично); 2 - обрабатываемый слой;

3 - активно не обрабатываемый слой почвы

Поскольку процесс объемного рыхления зубьями симметричен, в расчетной схеме рассматривается только его половина с соответствующими граничными условиями. На рабочую поверхность зуба со стороны пласта действует совокупность пространственно направленных сосредоточенных сил. Существует множество программных комплексов, реализующих МКЭ. Одним из наиболее популярных является ANSYS, на базе которого произведено моделирование.

Геометрические параметры, определяющие размеры модели, можно разделить на две группы: параметры рабочего органа и параметры пласта. Параметры рабочего органа являются исследуемыми величинами, поэтому их значения устанавливаются в зависимости от выбранного плана эксперимента при моделировании процесса. В связи с этим почвенный пласт описывается совокупностью конечных элементов первого порядка. Аппроксимация искомых величин в пределах элемента ведется в соответствии с функцией формы N

0

N

о

о

о

N

0

N

о

о

N..

о о N3 о

о N

«ч8 ч/

о N8

оо

о

о

N

(4)

где

N - функция формы ко узла.

N1 =

1-*

\ ( \ / \ ( \ ( \ / \ / \ / \

х2 1- х3 II Х_ 1_Х2. ; ^з = 1-XI 1_х1

а2 у V аЪ) ча1 У Ч а2 У 1 а3) 1 а1) ча2у V а3 у

М'-жш мши?

% А а-

1 А. 2 А з

Матрицу жесткости, связывающую нагрузки и деформации в узлах конечного элемента, найдем по формуле

(5)

N

N

N

2

о

а

а

где [В] - матрица векторов деформаций от единичных смещений узлов;

13= 11С и

где [д] - матрица дифференцирования для пространственной задачи;

її

о

о о

дХ-,

О О

дх~

дх2

д

дхх дхъ

о —

дх,

с"

с

(7)

р] - матрица упругости.

Так как исследуются процессы, происходящие при взаимодействии почвы с зубом, необрабатываемый участок поля рассматривается как абсолютно твердое тело. На основании проведенного исследования можно создать дискретную модель зуба и обрабатываемой полосы.

а б

Рис. 6. Контактные взаимодействия модели: а - между рабочей плоскостью зуба и плоскостью скола полосы; б - между плоскостью скола зуба и плоскостью необработанной части поля

т

о

о

Разрабатываемая модель учитывает два контактных взаимодействия: между рабочей плоскостью зуба и плоскостью скола полосы (рис.6,а); между плоскостью скола зуба и плоскостью необработанной части поля (рис.6,б). Для контактных взаимодействий используются элементы TARGE170 и CONTA174 системы ANSYS.

Рис. 7. Экспериментальный рабочий орган для объемного рыхления

Нагружение построенной конечно-элементной модели реализовано посредством перемещения рабочей плоскости зуба на заданную величину вдоль пласта почвы (вдоль оси X), при этом запрещено его перемещение в направлении осей Z и Y. Использование имитационной модели дает возможность исследовать в любой точке обрабатываемого пласта изменение в процессе нагружения таких величин, как усилия, эквивалентные напряжения, общие и пластические деформации, работа, направление деформирования, показывает целесообразность избранной модели зубовидного рыхлителя.

В натуре опыты закладывали орудием, представленным на рисунке 7. Оно имеет следующие параметры: количество рыхлителей 6; высота рыхлителя 150 мм; расстояния между рыхлителями в поперечном направлении за плоскорезной лапой захватом 1100 мм следующие: (90 + 180 + 180 + 200 + 180 + 180 + 90) мм. При реализации опытов в полевых условиях использовали плоскорез КПГ-250 в агрегате с трактором ДТ-75М при рабочей скорости 5,5 км/ч и глубине обработки 20 см.

Рассмотрим, как объемная обработка почвы влияла на ее противоэрозионные свойства. Так, смыв почвы по обычной плоскорезной обработке превосходит смыв по объемной обработке в 1,7 раза, а по вспашке - в 5,6 раза. В то же время смыв почвы по вспашке превосходит смыв по плоскорезной обработке в 3,3 раза. С увеличением глубины обработки уменьшается и смыв почвы. Во все годы исследований промерзание почвы было меньшим по плоскорезной и объемной обработкам, что связано с наличием стерни и лучшим снегозадержанием. Так, снегонакопление по противоэрозионным видам обработок (по плоскорезу и объемной обработке) превышало в 2-4 раза снегонакопление на вспашке. По вспашке распределение влаги в почве шло достаточно равномерно (по нисходящей) по глубинам от 10 до 100 см. Это показывает, что объемный способ обработки почвы препятствует иссушению корнеобитаемого слоя по сравнению с пахотой.

Также рассмотрим, каким образом влияла объемная обработка почвы на урожайность озимой пшеницы и ярового ячменя в различных почвенно-климатических условиях (рис. 8, 9). Из приведенных данных следует, что объемная обработка положительно влияла на увеличение урожайности, была получена достоверная прибавка урожая озимой пшеницы. В то же время урожайность зависела от условий конкретного года. На графиках приведены данные за 7 лет исследований.

Рис. 8. Зависимость урожайности озимой пшеницы в Ростовской области от видов обработок за четыре года, ц/га; НСР05 по годам (соответственно): 1,0; F ф < F05; 1,2; 2,1. Ai - вспашка; Б1 - плоскорезная

обработка; Bi - объемная обработка

Рис. 9. Зависимость урожайности озимой пшеницы в Харьковской области от видов обработок за три года, ц/га; НСР05 по годам (соответственно): F ф < F05; 1,4; 1,6. Bi - вспашка; В2 - плоскорезная

обработка; Вз - объемная обработка

Общей тенденцией является некоторое снижение гумусности в основном пахотного слоя (0-30 см) в конце ротации севооборота в сравнении с начальным периодом перед внесением удобрений. Количество наиболее ценных в агрономическом отношении макроструктурных агрегатов (7-0,25 мм) на всех вариантах было достаточно высоким и достигало 77-81 %, а коэффициент структурности практически во всех вариантах был выше единицы. Содержание в почве и растениях и их продукции нитратов и тяжелых металлов, таких, как медь, цинк, свинец, никель, хром, калий не превышало нормы.

Расчет экономической эффективности производили в у.е. (условных единицах). 1 у.е. соответствует 1 долл США. Условный производственный эффект по объемному способу, осуществляемому орудием с зубовидными рыхлителями, составил 118%, по плоскорезной обработке - 109%, по отношению к контролю -вспашке. В денежном выражении - 149,45; 137,88 и 125,57 у.е. соответственно. В целом, исходя из приведенного анализа, можно сделать заключение о положительном экономическом эффекте обработок осуществляемых орудиями объемного рыхления почвы и противоэрозионной обработки. Коэффициент энергетической эффективности по вспашке был 2,52; по плоскорезной обработке - 2,75; объемной обработке -

3,0. Отметим, что с учетом сохраненной почвы коэффициент повышался.

Выводы

На основании изложенного материала можно сделать вывод о том, что предложенные рабочие органы более эффективно воздействуют на почву агроценозов, позволяя смещать равновесие в агроценозах и получать дополнительную товарную продукцию при сохранении среды обитания растений. В то же время позволяют использовать при конструировании новых рабочих органов и орудий для основной обработки почвы и ухода за растениями экологически обоснованные принципы саморегуляции биологических систем с целью создания в почвенной среде гетерогенных сетей обмена ресурсными потоками внутри агроценозов. Осуществляется это за счет рабочих органов с дополнительными рыхлящими элементами, могущих осуществлять объемную обработку почвы.

Литература

1. Совершенствование технических средств обработки почвы как фактор предотвращения катастрофических ситуаций в земледелии: моногр. / М.В. Орешкин [и др.]. - Луганск: Глобус, 2006. - 148 с.

2. Зеленский Н.А., Орешкин М.В. Экологические основы повышения плодородия почв в условиях бассейна реки Дон: моногр. - Луганск: ООО «Рекламно-изд. центр «Русь»», 2008. - 138 с.

3. Орешкин М.В. Совершенствование технологий и средств механизации производства растениеводческой продукции в условиях бассейна реки Северский Донец на агроэкологической основе: моногр. -Луганск: ООО «Рекламно-изд. центр «Русь»», 2008. - 229 с.

4. Орешкин М.В. Экологическое обоснование создания новой техники и технологий: моногр. - Луганск: ЭЛТОН-2, 2008. - 122 с.

'--------♦------------