CC BY
30
10. Tihomirov DA. Jelektricheskaja jenergosberegajushhaja sistema obespechenija mikroklimata dlja zhivotnovodcheskih ferm [Electrical energy-saving system for ensuring
the microclimate of livestock farms], Material)? 3-j Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj kxmferencii, Minsk, 2005, pp. 148-149.
Сведения об авторах
Растимешин Сергей Андреевич — доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (Москва, Россия). E-mail: resursOO@mail.ru.
Трунов Станислав Семенович - кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (Москва, Россия). E-mail: alla-rika@yandex.ru.
Information about authors
Rastimeshin Sergey Andreevich - Doctor of Technical Sciences, professor, chief researcher, FSBSI «All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture» (Moscow, Russia). E-mail: resurs00@mail.ru.
Trunov Stanislav Semenovich - Candidate of Technical Sciences, professor, leading researcher, FSBSI «All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture» (Moscow, Russia). E-mail: alla-rika@yandex.ru.
УДК 631.17:631.331:631.816.1
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ ПОСЕВНОГО ЛОЖА ДЛЯ СЕМЯН В УСЛОВИЯХ НЕДОСТАТОЧНОГО УВЛАЖНЕНИЯ ПОЧВЫ
О 2016 г. Н.М. Беспамятпова, A.A. Колииько, H.H. Реутип, Ю.А. Беспамятное
Повышение качества процесса высева семян достигается путем совершенствования способов посева, включающих вибрационные элементы, обеспечивающие повышение равномерности глубины посева зерновых культур, управляемую плотность почвенного ложа для семян (1,0-1.1 г/см'), снижение энергопотребления в целом. Цель работы заключается в попытке теоретического обоснования возможностей и преимуществ вибрации в процессах посева и обработки почвы путем применения элементов формулы Гау сс а -Остро гр а дс ко го. в частности коэффициента дивергенции. Методология проведения работы заключается в нахождении реальных возможностей применить идею формулы Гаусса-Остро фадс ко го. в частности предела дивергенции, рассматриваемого в формуле как предел изменения объемного показателя при воздействии на него параметров, непрерывно распределенных по поверхности. В результате исследований получены возможные изменения плотности посевного ложа для семян при различных показателях влажности почвы и режимов и параметров рабочих органов: частоты вибрации и массы. Решена реальная задача создания заданной плотности почвы для семян для зон с недостаточным увлажнением путем постановки дополнительного вибрационного уплотнителя с частотой вибрации менее 30 Гц. Результаты исследований могут быть применены для любых технологических процессов при обработке почвы и посева. Выводы работы заключаются в том. что более детальное изучение поверхностей отклика на графиках, полученных в ходе экспериментальных исследований, с применением известных математических методов, позволяет получить объективную оценку и направленность дальнейшего усовершенствования практических задач и выявить оптимальные параметры создаваемых технических устройств, обеспечивающих показатели технологических процессов, заданных агротехническими требованиями.
Ключевые слова: уплотнение почвы, формула Гаусса-Остроградского, коэффициент дивергенции, поверхность отклика, равномерность показателя.
Improving the quality of the seeding process is achieved by improving the methods of sowing, inclnding the vibrating elements, providing increase of the uniformity of the crops planting depth, controlled density of the soil
bed for the seeds (1.0-1.1 g / cm\ reduction in energy consumption as a whole. The purpose of work is to try to justify theoretically the possibilities and advantages of vibration in the processes of soil planting and processing by applying elements of the Gauss-Ostrogradskiy formula, particularly divergence coefficient. The methodology of the work is to find real opportunities to apply the idea of Gauss-Ostrogradskiy formula, in particular, divergence limit, that is considered in the formula as the limit of the volume indicator change when being subjected to the parameters continuously distributed over the surface. As a result of research there is obtained the opportunity to changc the density of the seedbed for seeds at different rates of soil moisture and regimes and parameters of working bodies: the frequency of vibration and weight. There is resolved the actual task of creating a given soil density for seeds for areas with inadequate moisture by installing additional vibratory compactor with vibration frequency less than 30 H/. The results of research can be applied to all technological processes in tillage and sowing. Conclusions of the work lies in the fact that a more detailed study of the response surfaces of the graphs obtained during experimental researches, using known mathematical methods, allows to obtain an objective assessment and an orientation of further practical tasks improvement and to identify the optimal parameters of created technical devices, providing indicators of technological processes, defined by agronomic requirements.
Keywords: soil compaction, the Gauss-Ostrogradskiy formula, divergence coefficient, response surface, uniformity of index.
Актуальность. Особенностью посева в условиях недостаточного увлажнения почвы с применением современных энергосберегающих технологий является необходимость либо прямого посева, либо одновременного посева с выполнением обработки почвы комбинированными агрегатами во взрыхленную неосевшую почву. В последнем случае часть семян проникает в более глубокие слои почвы, чем заданная агротребованиями равномерность посева по глубине, а это приводит к неравномерности созревания урожая на одном и том же поле.
В связи с этим одной из актуальных и практически значимых задач является создание уплотненной прослойки почвы на заданной глубине посева с показателями уплотнения, равными 1,0-1,1 г/см , при влажности почвы менее 22-28%.
В последние годы все большее внимание уделяют использованию вибрационных процессов в технологических операциях, снижающих энергоемкость процес-
сов и повышающих равномерность заданных показателей до требуемых агротехникой величин [1—9]. Однако некоторая непривычность и сомнения в надежности современных конструкций сдерживают широкое применение вибрации в сельском хозяйстве.
Цель исследования заключается в попытке теоретического обоснования возможностей и преимуществ вибрации в процессах посева и обработки почвы путем применения элементов формулы Гаусса-Остр оград ского, в частности коэффициента дивергенции, наглядно демонстрирующего влияние степени изменения производительных потоков, непрерывно распределенных по поверхности.
Методикой предусмотрено, что формула Гаусса-Остроградского выражает поток непрерывно дифференцируемого векторного поля через замкнутую поверхность интегралом от дивергенции этого поля по объему, ограниченному этой поверхностью, и выражается в виде [10]:
\\div-FdV = ^1<-п dS
или
. dR do dR I — + —+— i dx dy dz
•со = j(P cos Л + О cos// + R cos V)->S\
где со и Я - дифференциалы объема (со) и поверхности ($); в современной записи со = йоо - элемент объема, а Л' - с/Л' - элемент поверхности. Остальные показатели соответствуют параметрам, влияющим на
объем и поверхность исследуемого процесса.
Коэффициент дивергенции || (с1 • dS) -1|| ¿/л' ■ а ■ с!а - ск,
где а - скорость изменения объемного показателя.
Правый параметр формулы Гаусса-Остроградского обозначает количество жидкости, вытекающей из объема в единицу времени. В нашей задаче правый параметр можно рассматривать как массовый расход вытекающих из объема бункера семян, или изменение объема усадки почвы при ее уплотнении.
Поскольку предел дивергенции представляет собой
div ■ а = lim ~ JJ (а ■ dS), в точке (х, у, z\
г s |
то в исследуемой задаче он может рассматриваться как предел изменения объемного показателя а при воздействии на него из-
откуда следует, что степень изменения скорости исследуемого показателя (плотности почвы) зависит от степени изменения скорости поля (по поверхности), создаваемого технологическими параметрами х и у.
В исследуемом технологическом процессе уплотнения почвенного ложа в качестве параметров правой части рассматриваются влажность почвы (*■), величина вибрации (у) или масса конструктивного элемента (у), а исследуемый показатель - объемный показатель плотности почвы (г). Поверхность поля Л" образуется названными параметрами с заданными их значениями, полученными в ходе экспериментов.
Практически при таком подходе дивергенцию можно рассматривать как уровень изменения параметров процесса на исследуемую величину, а предел дивергенции - как ограничение на показатель изменения технологического параметра (исследуемого), задаваемый агротехническими требованиями. Тогда при увеличении показателя дивергенции степень влияния того или иного параметра (х, у) на исследуемый показатель х уменьшается, а сам показатель более стабилен. При уменьшении показа-
менения параметров Рс, непрерывно распределенных по исследуемой поверхности.
В результате исследований установлено, что в формуле Гаусса-Остро-градского утверждается, если дивергенция меньше ноля, то имеет место сток жидкости; чем меньше дивергенция, тем быстрее протекает сток, то есть быстрее увеличивается степень изменения этой жидкости в зависимости от параметров, образующих поверхность. При этом предел дивергенции зависит от скорости а исследуемых «потоков» (х, у, е). В исследуемой задаче для любого опыта «скорости» а для каждого параметра в точке (х, у, 2) постоянна изначально (задана), следовательно:
(1)
теля дивергенции исследуемый показатель изменяется сильнее и может выйти за пределы допустимого.
В связи с этим можно рассматривать степень изменения линий поверхности отклика исследуемого технологического процесса аналогично изменению замкнутых по поверхности дифференциалов коэффициента дивергенции.
Рассмотрим процесс изменения технологического показателя (плотности почвы г) от массы (х) и технического параметра конструктивного элемента (Ь) и влажности почвы (х). В реальных условиях обычный дисковый сошник располагается от точки крепления Л = 50 мм, а масса сошника (у) составляет не более 3-4 кг [ 11 ].
Поверхность отклика по полученным экспериментальным данным на рисунке 1 представлена в виде одного локального центра показателя уплотнения почвы при влажности 22-24% и массе сошника 2 кг. При недостаточном увлажнении почвы (влажность менее 18%) ядро центра плотности почвы не достигает завершенности и, скорее всего, образуется вследствие естественного иссушения почвы. Третий центр возможен и при влажности почвы 18-20%, но не достигает своей выраженно-
div-а ~ lim —-a-dS, в точке (х, у, z\
Ks
о
сти при имеющийся массе сошника. В лю- следовательно семена будут проникать в бом случае достичь пределов агротехниче- более глубокие слои почвы, ских требований невозможно (0,84 г/см3),
о\о
>0,84
<0,83
<0,81
<0,79
<0,77
<0,75
<0,73
Рисунок I - График зависимости (по наименьшим квадратам) плотности от массы груза и влажности почвы при I, = 50 мм и частоте 5 Гц
Поскольку поставлена задача увеличить плотность почвы семенного ложа до 1,0—1,1 г/см3, остается вариант достижения цели увеличением массы сошника, излишнее увеличение которой нежелательно по экономическим показателям.
Применив рассмотренные элементы формулы Гаусса-Остроградского, можно отметить, что в центрах поверхности отклика линии имеют наибольшую удаленность друг от друга, следовательно, показатель плотности почвы почти не меняется. По периферии центров коэффициент дивергенции стремится к уменьшению, то есть изменение плотности почвы выходит за пределы агротехнических требований. Практически на поверхностях отклика коэффициент дивергенции отражает градиент между линиями на поле, образованном значимыми параметрами (.V,
При увеличении частоты вибрации до 31 Гц (рисунок 2) при тех же параметрах массы сошника поверхность отклика меняет вид: появляется выраженная ложбина при влажности почвы 22-26%, а центр уходит на более высокий уровень массы сошника. Дивергенция показателя плотности мало меняется и при заданной влажности почвы 18%, но уровень плотности почвы также не достигает необходимого уровня.
При увеличении дальности сошника от точки прицепа к раме сеялки до Л = 100 мм (рисунок 3) явно прослеживается локальный центр на уровне влажности почвы 20-24%, при массе сошника 3 кг с малым изменением показателя плотности почвы, однако искомый показатель плотности почвы так и не достигнут, а увеличение параметра нежелательно, так как увеличивается длина агрегата.
р = 0,436+0,313*х+0,0003*у+0,0007*х*х-0,0002*х*у+0,00011 *у*у, г/см3
0.9*
3 2 О.»2
о.
£ о.»°
б 3 О.?»
(Г 0.7®
•о о/4
а*
к*
I I < 0,78
■ < 0,76
■ < 0.74
Рисунок 2 - График зависимости плотности почвы от массы груза и влажности почвы
при = 50 мм и частоте 3 I Гц
р = 0,3704+0,0387*х+0,031*у-0,0008*х*х-0,0008*х*у-0,0023'у,У. г/см3
На рисунке 4 при постановке вибрационного уплотнителя массой до 10 кг [11] даже при обычном параметре = 50 мм и при малой влажности почвы 19,5% плотность почвы составила 1,0 г/см , что и задается агротехническими требованиями. При этом массу вибрационного уплотнителя вместе с сошником можно сократить до
8 кг. Вместе с тем следует отметить, что коэффициент дивергенции для плотности почвы на уровне агротехнических требований строго ограничивает поле значимых параметров: при малых и больших показателях массы уплотнителя вместе с сошником неравномерность плотности почвы резко падает.
Р = 0,8565+0.0017*х+0,0392*у-3,1492Е-5*х*х-7,6851 Е-6*х*у-0.0025*у*У. г/см3
Рисунок 4 - График зависимости плотности почвы от массы груза и частоты при влажности почвы ]¥= \ 9,5%, Ь2= 50 мм
Выводы. Таким образом, при посеве на почвах с недостаточным увлажнением для создания плотного ложа семян с заданной плотностью почвы в пределах агротехнических требований необходима установка дополнительного вибрационного уплотнителя с частотой вибрации не менее 30 Гц.
Более детальное изучение линий поверхностей отклика на графиках, полученных в ходе экспериментальных исследований с применением известных математических методов, позволяет получить объективную оценку и направленность дальнейшего усовершенствования практических задач и выявить оптимальные параметры создаваемых технических устройств, обеспечивающих показатели технологических
процессов, заданных агротехническими требованиями.
Работа выполнена в рамках инициативной НИР в соответствии с Программой фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы.
Литература
1. Сеялки «Клен» с электронным управлением и контролем высева; листок-каталог: Рекорд Техно. - 8 с.
2. Пат. 2343677 Российская Федерация, МПК А 01 С 7/16. Вибрационный высевающий аппарат / Трубилин Е.И., Иванов В.П., Баловнев К.А., заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Кубанский
гос. аграр. ун-т. - № 2007106481/12; заявл. 20.02.2007; опубл. 20.01.2009. Бюл. № 2. -5с.: ил.
3. Кузнецов, А. Новая высевающая система. Механические вибродискретные высевающие системы для зерновых и мел-косемянных культур / А. Кузнецов, Е. Тру-билин // С.-х. техника: обслуживание и ремонт. - 2008. - № 4. - С. 48.
4. Демьяненко, А.Г. Вибрационные технологии и вибровозбудители в сель-хозпроизводстве / А.Г. Демьяненко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2006. - № 11. - С 34-35.
5. Красовских, B.C. Универсальный вибрационный высевающий аппарат /B.C. Красовских, А.И. Клишин, В В. Павленко // Вестник Алтайского ГАУ. - 2007. -№4(30). -С. 62-66.
6. Вишняков, A.A. Комбинированный вибрационный высевающий аппарат зерновой сеялки / A.A. Вишняков, A.C. Вишняков, В.А. Козлов // Тракторы и сельхозмашины. - 2009. - № 11. - С. 8-10.
7. Крючин, Н.П Комбинированный агрегат для посева козлятника восточного / Н.П. Крючин, C.B. Вдовкин // Сельский механизатор. - 2010. - № 3. - С. 7.
8. Agricultural machines, theory construction and calculations / E.S. Bosoi, O.V. Ver-niaev, 1.1. Smirnov, E.G. Sultan-Shakh. (1987), Vol. 1, Oxionian Press Pvt. Ltd. New Delhi.-P. 237-275.
9. Kugler, K. Maschinen und Geräten fur di Pflanzenproduktion / К. Kugler. - Berlin: DeutscherLandwirtschaftsverlag, 1981. -228 s.
10. Остроградский, M.B. Memoire sur le calcul des variations des integrals multiples / M.B. Остроградский // Mémoires de l'Acad., t. 1П. pp. 35-58, 24/1 1834 (1838).
11. Беспамятнова, H.M. Внутрипоч-венное уплотнение прослойки между семенами и удобрениями и сошник для его осуществления / Н.М. Беспамятнова, A.A. Колинько // Инновации в сельском хозяйстве. -2015,-№ 1(11).-С. 87-90.
References
1. Sejalki «Kien» s jelektronnym uprav-leniem i kontrolem vyseva ["Maple" sowing
machine with electronic control and seeding control], listok-katalog, Rekord Tehno, 8 p.
2. Trubilin E.I., Ivanov VP., Balov-nev K.A. Pat. 2343677 Rossijskaja Federacija, MPKA01 S 7,16. Vibracionnyj vysevajushhij apparat [Vibrating sowing apparatus], zaja-vitel' i patentoobladatel1 FGOU VPO Kuban skij gos. agrar. un-t, No. 2007106481,12, zajavl. 20.02.2007, opubl. 20.01.2009, Bjul. No. 2, 5 p., il.
3. Kuznecov, A., Trubilin E. Novaja vysevajushhaja sistema. Mehanicheskie vi-brodiskretnye vysevajushhie sistemy dlja zernovyh i melkosemjannyh kul'tur [The new seeding system. Mechanical vibrodiscrete seeding system for grain and fine seeds crops], S. -h. tehnika: ohshizhivanie i remont, 2008, No. 4, pp. 48.
4. Dem'janenko, AG. Vibracionnye tehnologii i vibrovozbuditeli v sel'hozpro-izvodstve [The vibration technology and vibration exciters in agricultural production], Mehcmizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajstva, 2006, No 11, pp. 34-35.
5. Krasovskih, VS., Klishin A.I., Pavlenko V.V. Universal'nyj vibracionnyj vysevajushhij apparat [Universal vibrating sowing apparatus], Vestnik Altajskogo GAU, 2007, No. 4 (30), pp. 62-66.
6. Vishnjakov, A.A., Vishnjakov A S., Kozlov V.A. Kombinirovannyj vibracionnyj vysevajushhij apparat zernovoj sejalki [Combined vibrating sowing apparatus of grain seeders], Traktory i sel'hozmashiny, 2009, No. 11, pp. 8-10.
7. Kijuchin, N.P., Vdovkin S.V. Kombinirovannyj agrégat dlja poseva kozljatnika vostochnogo [Combination unit for sowing milk vetch east], Sel'skij mehanizator, 2010, No. 3, pp. 7.
8. Bosoi E.S., Verniaev O.V., Smirnov 1.1., Sultan-Shakh E.G. Agricultural machines, theory construction and calculations, (1987), Vol. 1, Oxionian Press Pvt. Ltd. New Delhi, pp. 237-275.
9. Kugler, K. Maschinen und Geräten für di Pflanzenproduktion, Berlin: DeutscherLandwirtschaftsverlag, 1981, 228 s.
10. Ostrogradsky, M V. Memoire sur le calcul des variations des integrals multiples, Mémoires de l'Acad., t. ITT, pp. 35-58, 24/1 1834 (1838).
11. Bespamjatnova, N.M., Kolin'ko А.А. Vnutripochvennoe uplotnenie proslojki mezhdu semenami i udobrenijami i soshnik dlja ego osushhestvlenija [Intrasoil compac-
tion of layer between the seed and fertilizer and coulter for its implementation], bmovacii v sel'skom hozjajstve, 2015, No. 1 (11), pp. 87-90.
Сведения об авторах
Беспамятнова Наталья Михайловна - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник отдела механизации полеводства, ФГБНУ «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (г. Зерноград, Ростовская область, Россия). Тел.: 8-918-543-11-74. E-mail: vniptim@gmail.com.
Колинько Алексей Александрович - конструктор отдела механизации полеводства, ФГБНУ «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (г. Зерноград, Ростовская область, Россия). E-mail: vniptim@gmail.com.
Реутин Виталий Валентинович - кандидат технических наук, научный сотрудник отдела механизации полеводства, ФГБНУ «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (г. Зерноград, Ростовская область, Россия). E-mail: vniptim@gmail.com.
Беспамятное Юрий Алексеевич - научный сотрудник отдела механизации полеводства, ФГБНУ «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (г. Зерноград, Ростовская область, Россия). E-mail: vniptim@gmail.com.
Information about authors
Bespamyatnova Natalia Mikhailovna - Doctor of Technical Sciences, professor, chief researcher of the Field crop mechanization department, FSB SI «North Caucasus Scientific Research Institute for Mechanization and Electrification of Agriculture» (Zernograd, Rostov region, Russia). Phone: 8-918-543-11-74. E-mail: vniptim@gmail.com.
Kolinko Alexey Aleksandrovich - constructor of the Field crop mechanization department, F SB ST «North Caucasus Scientific Research Institute for Mechanization and Electrification of Agriculture» (Zernograd, Rostov region, Russia). E-mail: vniptim@gmail.com.
Reutin Vitaly Valentinovich - Candidate of Technical Sciences, researcher of the Field crop mechanization department, FSBS1 «North Caucasus Scientific Research Institute for Mechanization and Electrification of Agriculture» (Zernograd, Rostov region, Russia). E-mail: vniptim@gmail.com.
Bespamyatnov Yury Alekseevich - researcher of the Field crop mechanization department, FSBS1 «North Caucasus Scientific Research Institute for Mechanization and Electrification of Agriculture» (Zernograd, Rostov region, Russia). E-mail: vniptim@gmail.com.
