Теоретические исследования и полевые испытания устройства для утилизации незерновой части урожая Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

УДК 631.871:631.872:631.875

Н.В. Бышов, д-р техн. наук, профессор,

А.Н. Бачурин, канд. техн. наук, доцент,

И.Ю. Богданчиков, аспирант, Рязанский Государственный Агротехнологический Университет имени П. А. Костычева

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ НЕЗЕРНОВОЙ ЧАСТИ УРОЖАЯ

Введение

Для того чтобы получать большие урожаи, необходимо удобрять почву, возвращая тем самым в нее утрачиваемые органические элементы. Эффективней и экономически выгодней с этой целью использовать незерновую часть урожая (НЧУ) в качестве удобрения. Ее использование обходится в 11 раз дешевле, чем применение минеральных удобрений, и в 4-5 раз дешевле внесения навоза, а эффект от внесения сохраняется 2-3 года [1]. Однако на практике применение данного удобрения ограничено, оно не применяется под озимые культуры. В первую очередь это связано с тем, что заделанная в почву растительная масса не успевает полностью разложиться до начала сева, а выделяющиеся при ее разложении фенольные соединения негативно влияют на развитие растений.

Скорость разложения НЧУ зависит от степени ее измельчения, равномерности распределения измельченной массы по поверхности поля и глубины заделки в почву [2]. Для ускорения процесса разложения необходимо также вносить компенсирующую дозу азотосодержащих удобрений [3]. В настоящее время, ввиду своей дешевизны, широкое распространения получили гуминовые удобрения, доказано их благотворное влияние на процесс ускорения разложения растительных остатков. Так, например, обработка соломы гуми-новым препаратом «Эдагум СМ» ускоряет ее разложение на 15-17% [4].

С целью усовершенствования процесса уборки НЧУ нами было разработано устройство для утилизации незерновой части урожая и получен патент на полезную модель [5]. Данное устройство позволяет производить срезание, либо подбор из валка (в зависимости от применяемой технологии) растительного материала, измельчение, обработку растительной массы в процессе измельчения рабочим раствором препарата, ускоряющего процесс ее разложения, и равномерное распределе-

ние этой массы по поверхности поля.

Объект, задачи и методы исследования

Одним из основных элементов разработанного устройства является форсунка. От ее работы во многом зависит процесс измельчения растительной массы (при чрезмерном увлажнении увеличится энергоемкость) и эффективность действия рабочего раствора гуминового препарата (при недостаточной дозе внесения она снижается). Важным показателем, характеризующим работу форсунки, является радиус конуса распыла, который определяется из выражения [6]:

Rh = 2-H-tg~

(1)

где Rk - радиус конуса распыла; а - угол факела распыла форсунки;

H - высота расположения форсунки над измельчающим барабаном.

Для достижения наилучших показателей работы форсунок значение радиуса конуса распыла должно быть равно значению радиусу измельчающего барабана [6]:

Rk=R^ (2)

где R6i3 - радиус измельчающего барабана.

Высота расположения форсунки H над измельчающим барабаном зависит от конструктивных особенностей машины, то есть расстояние от измельчающего барабана до верхнего кожуха есть максимально возможное значение Н .

max

Оптимальная высота расположения форсунки должна обеспечивать условие:

н <н . (3)

опт max v '

Из выражения (1) определяем угол факела

распыла:

, я* (4)

arctg-—

a = 2

Рассчитаем оптимальный угол факела распы-

© Бышов Н. В., Бачурин А. Н., Богданчиков И. Ю., 2013

ла для измельчителя-мульчировщика Kvemeland fx 230. Исходными данными для расчета являются: высота расположения форсунки над измельчающим барабаном Нопт=350 мм и радиус измельчающего барабана (с учетом длины ножа) Rбр=280 мм.

Подставив исходные данные в выражение (4):

оптимальный угол факела распыла составит: а=77,32°

Для подтверждения теоретических исследований в июле 2012 года в СПК «Родина» Рязанской области нами были проведены полевые испытания опытного образца, который был изготовлен на базе серийного измельчителя-мульчировщика Kvemeland fx 230 и принят за объект исследования (рисунок 1). Для этого дополнительно были установлены бак для рабочего раствора 1 и форсуночная рампа 2, которая располагалась на кожухе измельчающего барабана (рисунок 2). Применялись центробежные распылители с углом факела распыла от 30° до 120° (рисунок 3).

1 - бак для рабочего раствора; 2 - форсуночная рампа; 3 - измельчитель-мульчировщик

Kvemeland fx 230

Рис. 1 - Опытный образец

1 - бак для рабочего раствора; 2 - форсуночная рампа; 3 - измельчитель-мульчировщик

Kvemeland fx 230

Рис. 2 - Монтаж оборудования на опытный образец

Рис. 3 - Центробежные распылители с углом факела распыла от 30° до 120°

Были поставлены следующие задачи исследования:

1. проверка работоспособности опытного образца в полевых условиях;

2. контроль усвоения рабочего раствора измельченной растительной массой;

3. проверка качества измельчения в зависимости от увлажнения растительного материала;

4. подтверждение теоретических исследований и расчетов.

Контроль усвоения рабочего раствора измельченной растительной массой проводился по следующей методике: брались пробы соломы из валка до и после прохода устройства; в каждой пробе измерялась влажность; разность между значениями влажности в этих пробах определяет массу усвоенного соломой раствора. Для определения влажности соломы каждую пробу взвешивали, после чего высушивали в алюминиевых бюксах в специальном сушильном шкафу в течение 4-х часов. После 4-х часов сушки образцы в бюксах охлаждали и взвешивали с точностью до 0,01 г. Затем бюксы вновь помещали в шкаф на 1 час, после чего взвешивали. Сушку прекращали после того, как разница между двумя последними значениями массы не превышала 0,01 г. Влажность растительной массы определяли по известной формуле:

где W - влажность растительной массы, %;

тх - масса образца до сушки, г;

тсух - масса образца после сушки, г.

Масса впитавшейся влаги определяется из выражения:

т =т -т (6)

вп х сух ' '

Масса влаги т1 (г) в одном грамме НЧУ определяется как:

ТПр

т1

„ яц-У-НЮ

= —--------, 1я определяется из выражения:

Л'

(8)

(7)

т.

где Y% - процент усвоения;

У - урожайность НЧУ, кг/га;

Ыэт - эталонная норма внесения рабочего раствора (при урожайности НЧУ 20 ц/га), равная 300л/га;

Урожайность НЧУ на рассматриваемом участке составила 21,2 ц/га.

Каждое измерение производили с трехкратной повторностью.

Проверка качества измельчения в зависимости от увлажнения растительного материала проводилась по следующей методике: после прохода опытного образца с отключенной и включенной форсуночной рампой собирались пробы соломы; собранный материал взвешивали и отбирали в каждой пробе частички длиной 30-50 мм, после чего устанавливали их процентное содержание от общей массы пробы. Оптимальной степенью измельчения считается, если частицы размером 3050 мм составляют 50% и более от общей массы пробы.

Для проверки правильности теоретических исследований и расчетов нами был проведен полнофакторный эксперимент 23 [7]. Рассматривалось влияние параметров расхода препарата форсуночной рампой - Q, угол факела распыла форсунок - а, расположение форсуночной рампы относительно измельчающего барабана - р на показатель влажности обработанной рабочим раствором растительной массы и на качество измельчения. Интервал варьирования факторов был выбран следующим: Х1 = Q = 100 - 500 л/га; Х2 = а =30° - 120°; Х3 = р = -45° - +45°. После формирования матрицы результатов полнофакторного эксперимента при помощи известных статистических формул анализировали полученные данные.

Экспериментальная часть

В ходе полевых испытаний было установлено, что опытный образец исправно функционирует (рисунок 4). Также было выявлено, что дождевой

туман (рисунок 5), который образуется при распылении рабочего раствора форсуночной рампой, способствует снижению запыленности (рисунок 6) во время измельчения растительной массы, что значительно улучшает условия труда механизатора. Наблюдается более качественное распреде-

ление измельченной массы по поверхности поля (исключается ее сдувание боковыми ветрами), повышается тем самым эффективность от использования НЧУ в качестве удобрения.

Результаты и выводы

Рис. 4 - Работа опытного образца 1 - форсуночная рампа; 2 - центробежные

форсунки; 3 - измельчающий барабан Рис. 5 - Дождевой туман, образующийся при распылении рабочего раствора форсуночной рампой

Рис. 6 - Работа устройства для утилизации незерновой части урожая с включенной форсуночной

рампой (слева) и выключенной (справа)

Результаты усвоения рабочего раствора растительной массой сведены в таблицу 1.

Из анализа данных таблицы 1 видно, что в среднем каждый грамм соломы впитал в себя

0,1233 грамма рабочего раствора, что соответствует 261,4 литра на 1 гектар, а процент усвоения -87,1 % [4].

Результаты измерения качества измельчения в зависимости от увлажнения растительного материала сведены в таблицу 2.

Из данных таблицы 2 видно, что увеличение влажности растительной массы способствует улучшению качества ее измельчения.

В результате многофакторного эксперимента были получены уравнения регрессии:

у = 18,05208 + 6,527083Х1 + 1,739583Х2 --4,06458 Х3+0,664583Х1Х2--1,62292Х1Х3+0,439583Х2Х3+ 0,397917Х1Х2Х3, (9)

у'=40,91042 + 13,18958Х1+0,285417Х2--2,07292Х3+0,547917Х1Х2--1,66042Х1Х3+4,11875Х2Х3+ +4,147917Х1Х2Х3 (10) где у - влажность (у<20%); у' - степень измельчения (у'>50%).

Решив уравнения (9) и (10) получили оптимальный угол факела распыла:

Таблица 1 - Контроль массы усвоенного рабочего раствора

Показатель Масса навески (исходная), тх гр Масса сухой навески, т гр ’ сух ~ Масса впитавшейся влаги, т гр ’ вп г Влажность W , % Масса влаги в 1 гр. соломы

Пробы до прохода устройства 2,81 2,59 0,22 7,83 0,0783

2,72 2,50 0,22 8,09 0,0809

2,63 2,40 0,23 8,75 0,0875

Пробы после прохода устройства 4,60 3,63 0,97 21,00 0,211

4,32 3,44 0,88 20,37 0,204

4,30 3,37 0,93 21,63 0,216

Таблица 2 - Результаты измерения качества измельчения в зависимости от увлажнения растительной

массы

Показатель Масса навески, гр Процентное содержание частиц длиной 30-50 мм, %

С отключенной форсуночной рампой 100 25,7

100 28,3

100 30,1

С включенной форсуночной рампой 100 58,6

100 59,7

100 60,1

73° < а < 90°, (11)

что соответствует значению а=77,32° полученного в теоретических расчетах.

Таким образом, полевые испытания на практике подтвердили результаты теоретических исследований. Разработанная нами машина позволяет повысить степень измельчения (по сравнению с серийным образцом) с 28% до 59%, ускорить на 25,7% процесс разложения за счет обработки растительной массы рабочим раствором. Это дает возможность использования машины в энергосберегающих технологиях с применением НЧУ в качестве удобрения. Для практического использования рекомендованы центробежные распылители ATR 80 фирмы ALBUZ (Франция) с углом факела распыла а=80°.

Библиографический список

1. Незерновая часть урожая как эффективный способ повышения плодородия почвы [Текст] / Н.В. Бышов, А.Н. Бачурин, И.Ю. Богданчиков, А.И. Мартышов // Повышение эффективности механизации сельскохозяйственного производства : материалы научн.-прак. конф. - Чебоксары: ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2011. - С. 52-56.

2. Устройство для утилизации незерновой части урожая [Текст] / Н.В. Бышов, А.Н. Бачурин, И.Ю. Богданчиков, А.И. Мартышов // Международный технико-экономический журнал. - 2012. - №1.

- С. 114-117.

3. К вопросу об использовании растительных остатков для повышения плодородия почвы

[Текст] / Н.В. Бышов, А.Н. Бачурин, И.Ю. Богданчиков, А.И. Мартышов // Сб. науч. тр. посвященный 60-летию инженерного факультета РГАТУ : материалы науч.-практич. конф. 2011 г. - Рязань : РГАТУ, 2011. - С. 103-105.

4. Изучение влагопоглощающих свойств соломы [Текст] / Н.В. Бышов, А.Н. Бачурин, И.Ю. Богданчиков, А.И. Мартышов // Особенности технического оснащения современного сельскохозяйственного производства : материалы Всероссийской науч.-прак. конф. молодых ученых. - Орел : Изд-во Орел ГАУ, 2012. - С. 297-301.

5. Пат. 116007 Российская Федерация, МПК7 А 01 D 34/43, А 01 F 29/00. Устройство для утилизации незерновой части урожая [Текст] / Бышов Н.В., Бачурин А.Н., Богданчиков И.Ю., Мартышов А.И.; зявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО РГАТУ. - № 2011145324/13 ; заявл. 8.11.11 ; опубл. 20.05.12, Бюл. №14. - 1 с. : ил.

6. Богданчиков, И.Ю. К вопросу определения оптимального значения радиуса конуса распыла форсунки устройства для утилизации незерновой части урожая [Текст] / И.Ю. Богданчиков // Инновационные направления и методы реализации научных исследований в АПК : материалы науч.-практич. конф. 2012 г. - Рязань : РГАТУ, 2012. - С. 55-60.

7. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментальных исследований и обработка опытных данных [Текст] / Г.В. Веденяпин. - М.: Колос, 1970.

- 136 с.