CC BY
12Процессы и машины агроинженерных систем
УДК 631.31 Код ВАК 05.20.01
ВЛИЯНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВОЖДЕНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ АГРЕГАТА ПРИ ВНЕСЕНИИ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ
Ю.В. Полищук1*, Н.В. Лаптев1, А.П. Комаров1
1Костанайский филиал ТОО «Научно-производственный центр агроинженерии», г. Костанай,
Республика Казахстан.
*E-mail y.polishchuk.62@mail.ru
Аннотация. В настоящее время на рынке Республики Казахстан предлагают различное оборудование для точного земледелия такое, как GPS-трекер с датчиком уровня топлива, оборудование для дифференцированного внесения минеральных удобрений и средств защиты растений, системы параллельного и автоматического вождения, контроля высева семян и картирования урожайности. По данным производителей оборудование для точного земледелия позволяет сократить, в среднем на 20%, затраты на удобрения, семена, СЗР и ГСМ. Однако еще не до конца изучены возможности получения эффективности от применения систем точного земледелия в условиях Северного Казахстана.
В статье приведены результаты сравнительных испытаний культиватора для обработки почвы и внесения минеральных удобрений в условиях Северного Казахстана. Методика проведения сравнительных испытаний основывалась на требованиях государственных стандартов. В процессе проведения сравнительных испытаний определялись условия испытаний, агротехнические, энергетические, эксплуатационно-технологические и экономические показатели агрегата на обработке почвы и внесении минеральных удобрений, оборудованного системой автоматического вождения и без системы. Использование системы GPS навигации и автоматического управления на обработке почвы и внесении в минеральные удобрения позволяет увеличить производительность агрегата на 9,3%. Расход топлива и минеральных удобрений снижается на 4,5%, а удельные энергозатраты на 5,8 %. Совокупные затраты денежных средств снижаются на 20,5%, при этом годовая экономия совокупных затрат денежных средств составляет 6 335 тыс. тенге (1 117 тыс. руб.).
Ключевые слова: сравнительные испытания, внесение удобрений, точное земледелие, автоматическое вождение, навигационная система.
INFLUENCE OF AUTOMATIC DRIVING SYSTEM ON EFFICIENCY OF THE UNIT DURING
MINERAL FERTILIZERS APPLIICATION
Polichshuk Yu.V.1*, Laptev N.V.1, Komarov A.P.1
1Kostanay branch of «Scientific production center of agricultural engineering», Kostanay, Republic of Kazakhstan.
*E-mail y.polishchuk.62@mail.ru
Abstract. Currently, the market of the Republic of Kazakhstan offers various equipment for precision farming, such as a GPS tracker with a fuel level sensor, equipment for the differentiated application of mineral fertilizers and plant protection products, parallel and automatic driving systems, seed sowing control and yield mapping. According to manufacturers' data, equipment for precision farming can reduce, on average, by 20%, the cost of fertilizers, seeds, plant protection products and fuels and lubricants. However, the possibilities of obtaining efficiency from the use of precision farming systems in the conditions of Northern Kazakhstan have not yet been fully studied.
In the article are presented the results of comparative tests of a cultivator for soil tillage and mineral fertilizers application in the conditions of Northern Kazakhstan. The comparative test methodology was based on the requirements of state standards. During the process of comparative tests, the test conditions, agrotechnical, energy, operational and technological and economic indices of the unit for soil tillage and mineral fertilizers application equipped with an automatic driving system and without a system were determined. The use of the GPS navigation system and automatic control in soil tillage and mineral fertilizers application allows increasing the productivity of the unit by 9.3%. The consumption of fuel and mineral fertilizers is reduced by 4.5%, and specific energy consumption by 5.8%. Total expenditures are reduced by 20.5%, while the annual savings of total expenditures is 6,335 thous. tenge (1,117 thous. rubles).
Keywords: comparative tests, fertilizer application, precision farming, automatic driving, navigation
system
Введение (Introduction)
Точное земледелие позволяет сократить затраты на удобрения, семена, СЗР (средств защиты растений) и ГСМ в среднем на 20% [1]. Помимо сокращения затрат энергии, ресурсов и увеличения урожайности точное земледелие позволяет выровнять физические и агрохимические свойства почвы, поле приобретает форму удобную для проведения агротехнических операций [2,3]. Применение систем точного земледелия с получением максимальной прибыли обеспечивается за счет оптимизации сельскохозяйственного производства, экономии хозяйственных и природных ресурсов. При этом открываются реальные возможности производства качественной продукции и сохранения окружающей среды [4,5]. Системы точного земледелия хорошо зарекомендовали себя
и успешно применяются в США, Канаде, Бразилии и в странах Европы [6,7,8,9]. В настоящее время на рынке Республики Казахстан предлагают различное оборудование для точного земледелия такое, как GPS-трекер с датчиком уровня топлива, оборудование для дифференцированного внесения минеральных удобрений и средств защиты растений, системы параллельного и автоматического вождения, контроля высева семян и картирования урожайности. Их можно приобрести и установить на имеющуюся в хозяйстве сельскохозяйственную технику или приобрести новый трактор, комбайн, самоходный опрыскиватель на которые завод изготовитель уже установил это оборудование. Однако еще не до конца изучены возможности получения эффективности от применения систем точного земледелия в условиях Северного Казахстана.
Цель и методика исследований (Purpose and methodology of research)
В Костанайском филиале «Научно-производственный центр агроинжинерии», в 2020 году, были проведены работы по определению влияния системы GPS навигации и автоматического управления (AutoTrac) «CommandCenter™ GS 4 поколения» на агротехнические, энергетические, эксплуатационно-технологические и экономические показатели агрегата на обработке почвы и внесении минеральных удобрений. При проведении сравнительных испытаний определялись агротехнические, энергетические и эксплуатационно-технологические показатели культиватора для внесения удобрений КВУ-8,8 с туковым бункером «John Deere 1910» в агрегате с трактором «John Deere 9420R» с использованием системы GPS навигации и автоматического управления «CommandCenter™ GS 4 поколения» и без использования системы автоматического вождения (система отключалась).
Испытания проводились на полях хозяйства Северо-Казахстанской области, Республики Казахстан. Методика проведения сравнительных испытаний основывалась на требованиях государственных стандартов. Условия проведения испытаний определялись в соответствии с требованиями ГОСТ 20915 [10]. Оценка агротехнических показателей - по ГОСТ 33687, ГОСТ 28714 [11,12]. Оценка энергетических показателей - по ГОСТ 52777 [13]. Эксплуатационно-технологическая оценка - по ГОСТ 24055 [14]. Обработка полученных данных проводилась методом математической статистики с использованием компьютерной программы Excel [15, 16]. Оценка экономической эффективности агрегатов определялась по СТ РК ГОСТ Р 53056 [17].
Результаты исследований (The results of the research)
В период с 28 июля по 2 августа 2020 года проводились сравнительные испытания культиватора для внесения удобрений КВУ-8,8 с туковым бункером «John Deere 1910» в агрегате с трактором «John Deere 9420R» оборудованного системой GPS навигации и автоматического управления «CommandCenter™ GS 4 поколения» (AutoTrac) и без системы (система отключалась). Общий вид агрегата в работе представлен на рисунке 1, дисплей системы GPS навигации и автоматического управления «CommandCenter™ GS 4 поколения» (AutoTrac) представлен на рисунке 2.
Рисунок 1 - Культиватора для внесения удобрений КВУ-8,8 с туковым бункером «John Deere 1910» в агрегате с трактором «John Deere 9420R» в работе (вид спереди сбоку)
Настройка и подготовка культиватора КВУ-8,8 к работе осуществлялась специалистами хозяйства. Сравнительные испытания культиватора КВУ-8,8 проводились на культивации пара и внесении в почву минерального удобрения «Аммофос». Средние значения показателей условий испытаний на глубине до 20 см: влажность почвы - 20,9 %; объемная масса почвы - 1,11 г/см3; твердость почвы - 1,0 МПа. Влажность воздуха - 36 %, температура воздуха - 24,0 0С, скорость ветра - 2,8 м/с, высота сорных растений - 3,5 см, засоренность сорными растениями - 720 г/м2. Предшествующая обработка парового поля - культивация на глубину 10-12 см. Условия испытаний культиватора для внесения удобрений КВУ-8,8 в агрегате с трактором «John Deere 9420 R» при проведении сравнительных испытаниях были типичными для зоны Северного Казахстана. Перед началом сравнительных испытаний были определены показатели, характеризующие физико-механические свойства вносимых удобрений:
Рисунок 2 - Дисплей системы GPS навигации и автоматического управления «CommandCenter™
GS 4 поколения» (AutoTrac)
влажность удобрений составляет 0,4%, гранулированный состав, массовая доля гранул размером менее 1 мм - 2,5 %, от 1 до 5 мм - 97,5 %, насыпная плотность составляет 881 кг/м3. Угол естественного откоса - 20,2 град. По результатам исследований установлено, что используемое удобрение соответствует требованиям нормативной документации и может использоваться для проведения испытаний.
В таблице 1 представлены показатели работы культиватора для внесения минеральных
удобрений КВУ-8,8 в агрегате с трактором «John Deere 9420 R» оборудованного системой GPS навигации, автоматического управления «CommandCenter™ GS 4 поколения» (AutoTrac) и без системы при сравнительных испытаниях.
Анализ результатов сравнительных испытаний культиватора КВУ-8,8 в агрегате с трактором «John Deere 9420 R» (без системы GPS навигации и автоматического управления) на обработке почвы и внесении удобрений (таблица 1) показывает, что на скорости движения 10,8 км/ч рабочая ширина захвата культиватора составила 8,1 м, глубина обработки - 14,0 см, глубина заделки удобрений - 11,7 см, неравномерность распределения удобрений по ширине внесения - 9,1 %. Производительность агрегата за час основного времени составляла 8,7 га, сменного и эксплуатационного времени - 6,4 га. Коэффициенты использования сменного и эксплуатационного времени - 0,74. За период проведения эксплуатационно-технологической оценки технических отказов не было зафиксировано, поэтому коэффициенты использования сменного и эксплуатационного времени равны. Затраты мощности на передвижение агрегата по полю составляет 268,3 кВт, удельный расход топлива - 11,0 кг/га. Удельные энергозатраты за час основного времени составляют 113,9 МДж/га. Фактический расход удобрений - 196,9 кг/га.
Полученные результаты сравнительных испытаний культиватора для внесения удобрений КВУ-8,8 в агрегате с трактором «John Deere 9420 R» (с системой GPS навигации и автоматического управления) на обработке почвы и внесении удобрений (таблица 1) показывают, что на рабочей скорости движения 10,8 км/ч рабочая ширина захвата составляла 8,6 м.
На данном режиме работы глубина обработки - 14,1 см, глубина заделки удобрений - 11,8 см, неравномерность распределения удобрений по ширине внесения - 9,1%, что соответствует требованиям нормативной документации. Производительность агрегата за час основного времени составляла 9,3 га, сменного и эксплуатационного времени - 7,0 га. Коэффициенты использования сменного и эксплуатационного времени - 0,75. Затраты мощности на передвижение агрегата по полю составляет 268,1 кВт, удельный расход топлива - 10,5 кг/га. Удельные энергозатраты за час основного времени составляют 107,3 МДж/га. Фактический расход удобрений- 188,3 кг/га.
Таблица 1 - Показатели работы культиватора для внесения минеральных удобрений КВУ-8,8 в агрегате с трактором «John Deere 9420 R» оборудованного системой автоматического управления «CommandCenter™ GS 4 поколения» и без системы при сравнительных испытаниях
Значения показателей
Показатели по НД по данным испытаний
без системы с системой
Дата испытаний нет данных 28.07-02.07. 20
Рабочая скорость движения, км/ч 8,0-12,0 10,8 10,8
Конструктивная ширина захвата, м 8,8
Рабочая ширина захвата, м нет данных
Часовой расход топлива, кг/ч 80,5
Затраты мощности на перемещение, кВт 193,8 194,0
Производительность за час основного времени, га нет данных 8,5 9,0
Мощность, потребляемая агрегатом, кВт 268,3 268,1
Удельные энергозатраты за час основного времени, МДж/га 113,9 107,3
Эксплуатационные показатели:
а) производительность за 1 час времени, га:
- основного нет данных 8,7 9,3
- сменного -//- 6,4 7,0
- эксплуатационного 6,4 7,0
б) удельный расход топлива, кг/га -//- 11,0 10,5
в) количество обслуживающего персонала:
- на агрегате 1 1 1
- на вспомогательных операциях нет данных 2 заправщика 2 заправщика
Эксплуатационно-технологические коэффициенты:
- надежность технологического процесса нет данных 1,0 1,0
- использования сменного времени -//- 0,74 0,75
- использования эксплуатационного времени 0,74 0,75
Показатели качества технологического
процесса: - заданная доза внесения удобрений, кг/га 30,0-380,0 180,0 180,0
- фактическая, кг/га нет данных 196,9 188,3
Глубина обработки почвы, см 8-18 14,0 14,1
- среднеквадратическое отклонение, ± см не более 1,5 1,3 1,3
Глубина заделки удобрений, см -//- 11,7 11,8
- среднеквадратическое отклонение, ± см -//- 1,4 1,5
Неравномерность распределения удобрений по ширине внесения, % < 10 9,1
Применение системы GPS навигации и автоматического управления на культивации пара и внесении удобрений обеспечило увеличение рабочей ширины захвата на 0,5 м или на 5,8 %. При этом производительность культиватора КВУ-8,8 в агрегате с трактором «John Deere 9420 R» за один час сменного и эксплуатационного времени увеличилась на 0,6 га, что составляет 9,3 %. Использование системы GPS навигации и автоматического управления на обработке почвы и внесении удобрений приводит к снижению удельных энергозатрат на 5,8%. Удельный расход
топлива снижается на 0,5 кг/га (4,5 %), а минеральных удобрений на 8,6 кг/га (4,5 %). Система GPS навигации и автоматического управления не оказывает влияние на агротехнические показатели культиватора КВУ-8,8.
На основании полученных данных проведен расчет экономической эффективности применения культиватора для внесения удобрений КВУ-8,8 с туковым бункером «John Deere 1910» в агрегате с трактором «John Deere 9420R» оборудованного системой GPS навигации и автоматического управления и без системы. Показатели сравнительной экономической эффективности культиватора КВУ-8,8 в агрегате с трактором «John Deere 9420 R» с использованием системы GPS навигации и автоматического вождения и без системы приведены в таблице 2.
Анализ полученных результатов показал, что применение культиватора КВУ-8,8 на обработке почвы и внесении минеральных удобрений способствует снижению совокупные затраты денежных средств на 20,5%, затрат труда на 8,3%, расхода топлива и минеральных удобрений на 4,5%. Годовая экономия совокупных затрат денежных средств составляет 6 335 тыс. тенге (1 117 тыс. руб.).
Выводы и рекомендации (Conclusions and recommendations)
Использование системы GPS навигации и автоматического управления на широкозахватных агрегатах способствует увеличению рабочей ширины захвата и как следствие увеличению производительности и снижению совокупных затрат денежных средств.
Система GPS навигации и автоматического управления не оказывает влияние на агротехнические показатели культиватора КВУ-8,8.
Полученные результаты сравнительных испытаний могут быть использованы в практической работе инженерных служб сельскохозяйственных предприятий при проведении полевых работ, а так же при выборе и приобретении систем точного земледелия.
Таблица 2 - Показатели сравнительной экономической эффективности культиватора КВУ-8,8 в агрегате с трактором «John Deere 9420 R» с использованием системы GPS навигации и автоматического вождения и без системы
Показатели Единица измерения Значение показателей Индекс изменения Показа теля, %
без системы с системой
Совокупные затраты денежных средств тг/га 22040 17515 - 20,5
Затраты труда чел.-ч/га 0,156 0,143 - 8,3
Удельный расход топлива кг/га 11,0 10,5 - 4,5
Годовая экономия совокупных затрат денежных средств от эксплуатации машины тыс. тг 6 335,0
Капитальные вложения млн. тг 180,0 189,8 5,4
Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений лет 1,5
Библиографический список
1. От точного земледелия до «умных ферм»: [Электронный ресурс]. - Матрица^: Новостной портал. http://www.matritca.kz - Загл. с экрана - Текст. Изображение: электронные.
2. Garcia, L.C. and oth. Seeding maneuvers using navigation system / L.C. Garcia, R.W. van der Meer, N.M. de Souza, A. Justino, P.HW. Neto // Engenharia Agricola. - 2016. - Vol. 36 No.2. - С. 361-366.
3. Kelc, D. and oth. Reduction of environmental pollution by using RTK-navigation in soil cultivation / D. Kelc, D. Stajnko, P. Berk, J. Rakun, P. Vindis, M. Lakota // Int J Agric & Biol Eng. - 2019.
- Vol. 12 No.5. - С. 173-178.
4. Якушев, В. П. Информационное обеспечение точного земледелия: монография / В. П. Якушев, В. В. Якушев. - Санкт-Петербург: Изд-во ПИЯФ РАН, 2007. - 384 с.
5. Якушев, В. В. Информационное обеспечение точного земледелия: монография / В. В. Якушев. - СПб.: ФГБНУ АФИ, 2016. - 364 с.
6. Keskin M. et. al. Areview of yield monitoring instrumentation applied to the combine harvesters for precision agriculture purposes // M. Keskin, Y.J. Han, R.B. Dodd - 7th International Congress on Agricultural Mechanization and Energy, Adana, 1999. - pp.426-431.
7. Barocco, R. Yield Mapping Hardware Components for Grains and Cotton Using On-the-Go Monitoring Systems / R. Barocco - The Department of Agricultural and Biological Engineering, UF/IFAS Extension, 2017. - 12 p.
8. Реализация проекта по разработке методики использования средств точного земледелия для мониторинга сельскохозяйственных угодий Самарской области: отчет по выполнению научно-технической работы (промежуточный) / Фонд «Сельскохозяйственного обучения»; рук. Цирулев А.П.; исполн.: Боровкова А.С., Иксанов М.Р. [и др.]. - Кинель, 2008. - 68 с.
9. Fulton, J.P. Yield monitoring and mapping / J.P. Fulton, A. Brooke, A. Winstead, D. Mullenix - Precision Agriculture Series - Timely Information. Agriculture, Natural Resources & Forestry, Alabama Cooperative System, 2010. - 2 p.
10. ГОСТ 20915-2011. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы определения условий испытаний. - Введ. 2013-01-01. - М.: ФГУП «Стандартинформ», 2013. - 23 с.
11. ГОСТ 33687-2015 Машины и орудия для поверхностной обработки почвы. Методы испытаний. - Введ. 2017-07-01. - М. ФГУП «Стандартинформ», 2016. - 41 с.
12. ГОСТ 28714-2007. Машины для внесения твердых минеральных удобрений. Методы испытаний. - Введ. 2009-01-01. - М.: Стандартинформ, 2008. - 69 с.
13. ГОСТ Р 52777-2007. Техника сельскохозяйственная. Методы энергетической оценки.
- Введ. 2007-11-13.- М.: Стандартинформ, 2007. - 7 с.
14. ГОСТ 24055-88. Техника сельскохозяйственная. Методы эксплуатационно-технологической оценки. - Введ. 1989-01-01. - М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1989. - 15 с.
15. Блохин, В.Г. Современный эксперимент: подготовка, проведение, анализ результатов / В.Г. Блохин, О.П. Глудкин, А.И. Гуров, М.А. Ханин - М.: Радио и связь. - 1997. - 232 с.
16. Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта / Б.А. Доспехов - М.: Агропромиздат. -1985. - 351 с.
17. СТ РК ГОСТ Р 53056-2010. Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки. - Введ. 2010-10-04. - Астана: Комитет по техническому регулированию и метрологии Министерства индустрии и торговли республики Казахстан, 2010. - 26 с.
References
1. From precision agriculture to "smart farms": [Electronic resource]. - The matrix.kz: News portal. http://www.matritca.kz -Title from the screen-Text. Image: electronic.
2. Garcia, L.C. and oth. Seeding maneuvers using navigation system / L.C. Garcia, R.W. van der Meer, N.M. de Souza, A. Justino, P.HW. Neto // Engenharia Agricola. - 2016. - Vol. 36 No.2. - С. 361-366.
3. Kelc, D. and oth. Reduction of environmental pollution by using RTK-navigation in soil cultivation / D. Kelc, D. Stajnko, P. Berk, J. Rakun, P. Vindis, M. Lakota // Int J Agric & Biol Eng. - 2019.
- Vol. 12 No.5. - С. 173-178.
4. Yakushev, V. P. Information support of precision agriculture: monograph / V. P. Yakushev, V. V. Yakushev. - Saint-Petersburg: Publishing House of the Russian Academy of Sciences, 2007. - 384 p.
5. Yakushev, V. V. Information support of precision agriculture: monograph / V. V. Yakushev.
- St. Petersburg: FGBNU AFI, 2016 - - 364 p.
6. Keskin M. et. al. Areview of yield monitoring instrumentation applied to the combine harvesters for precision agriculture purposes // M. Keskin, Y.J. Han, R.B. Dodd - 7th International Congress on Agricultural Mechanization and Energy, Adana, 1999. - pp.426-431.
7. Barocco, R. Yield Mapping Hardware Components for Grains and Cotton Using On-the-Go Monitoring Systems / R. Barocco - The Department of Agricultural and Biological Engineering, UF/IFAS Extension, 2017. - 12 p.
8. Implementation of the project on the development of a methodology for the use of precision land tools for monitoring agricultural land in the Samara region: report on the implementation of scientific and technical work (interim) / Fund "Agricultural Education"; ruk. Tsirulev A. P.; performed by: Borovkova A. S., Iksanov M. R. [et al.]. - Kinel, 2008. - 68 p.
9. Fulton, J.P. Yield monitoring and mapping / J.P. Fulton, A. Brooke, A. Winstead, D. Mullenix - Precision Agriculture Series - Timely Information. Agriculture, Natural Resources & Forestry, Alabama Cooperative System, 2010. - 20 p.
10. GOST 20915-2011. Testing of agricultural machinery. Methods for determining test conditions. - Introduction. 2013-01-01. - Moscow: FSUE "Standartinform", 2013. - 23 p.
11. GOST 33687-2015 Machines and tools for surface treatment of the soil. Test methods. -Introduction. 2017-07-01. - M. FSUE "Standartinform", 2016. - 41 p.
12. GOST 28714-2007. Machine for the application of solid mineral fertilizers. Test methods. -Introduction. 2009-01-01. - Moscow: Standartinform, 2008. - 69 p.
13. GOST R 52777-2007. Agricultural machinery. Methods of energy assessment. -Introduction. 2007-11-13. - Moscow: Standartinform, 2007. - 7 p.
14. GOST 24055-88. Agricultural machinery. Methods of operational and technological assessment. - Introduction 1989-01-01. - Moscow: State Committee of the USSR on Standards, 1989. - 15 p.
15. Blokhin, V. G. Modern experiment: preparation, conduct, analysis of results / V. G. Blokhin, O. P. Gludkin, A. I. Gurov, M. A. Khanin-M.: Radio and Communication. - 1997. - 232 p.
16. Dospekhov, B. A. Methodology of field experience / B. A. Dospekhov-M.: Agropromizdat. - 1985. - 351 p.
17. ST RK GOST R 53056-2010. Agricultural machinery. Methods of economic assessment. -Introduction. 2010-10-04. - Astana: Committee for Technical Regulation and Metrology of the Ministry of Industry and Trade of the Republic of Kazakhstan, 2010. - 26 p.
