Обоснование параметров дозирующей системы машины для дифференцированного внесения минеральных удобрений

Актуальность темы

Современные машинные технологии возделывания сельскохозяйственных культур и технические средства характеризуются значительным совершенством и потенциально могут обеспечить выполнение агротехнических требований в соответствии с ранее принятой концепцией их рационального применения. Однако результаты новейших исследований в области сельскохозяйственного производства свидетельствуют о том, что развитие технологий и технических средств, базирующихся на концепции усреднения показателей плодородия каждого отдельно взятого поля, достигли своего предела.

Наукой и практикой доказано, что получение высоких и устойчивых экономически выгодных урожаев во многом предопределяется тем, насколько возделываемые культуры обеспечиваются элементами питания в соответствии с их потребностью, а также оперативно решаются вопросы защиты их от вредителей и болезней.

Решение проблемы дальнейшего развития машинных технологий без учета пестроты плодородия почвы в пределах каждого поля не может рассматриваться как перспеетивное.

Отечественный и зарубежный опыт показал, что даже наиболее совершенные технические средства по равномерному распределению удобрений по площади поля (поверхностно или внутрипочвенно) не обеспечивают одинаковые условия минерального питания растений из-за природной и техногенной пестроты почвенного плодородия. Ввиду того, что норма удобрений рассчитывается по усредненным данным агрохимического обследования, на участках поля с повышенным уровнем плодородия растения получают избыточное питание, на других — недостаточное. В результате не только снижается урожайность и ухудшается качество продукции, но с годами нарастает пестрота плодородия из-за недоиспользованности удобрений на относительно переудобренных участках и истощение почвы — на недоудобренных. Избыточное количество удобрений, особенно азотных, на отдельных участках поля, может приводить также к загрязнению продукции и грунтовых вод, в частности, нитратами, что представляет и значительную экологическую опасность.

Вследствие того, что неравномерность распределения элементов питания, а в равной мере и других факторов плодородия на поле, обусловлена как проявлением естественных процессов, которые определяют ее устойчивость, так и антропогенным воздействием при выращивании сельскохозяйственных культур, на первом этапе решения проблемы необходимо предусматривать доведение параметров до уровня, обеспечивающего получение запрограммированной урожайности возделываемых культур при максимальной окупаемости удобрений.

Агрохимическими исследованиями доказана высокая эффективность локального внесения минеральных удобрений. Ориентированное размещение удобрений относительно корневой системы с учетом пространственной изменчивости параметров плодородия поля обеспечивает максимальную окупаемость удобрений и снижение загрязнения окружающей среды.

Стратегией машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции в России на период до 2010 года предусмотрено создать и поставить на производство машин для припосевного внесения минеральных удобрений, обеспечивающих автоматизированное дозирование удобрений с учетом пространственной изменчивости параметров плодородия поля. Исследования, направленные на разработку высокоадаптивной дозирующей системы машины для дифференцированного внесения минеральных удобрений с учетом пестроты плодородия почв являются актуальными.

Исследования, составившие основу диссертационной работы, выполнены в ГНУ ВИМ и в ГНУ ВНИМС по планам НИОКР на 1998;2003 гг., а также в соответствии с государственным контрактом с Минпромнауки Российской Федерации № 43.050.11.2568 «Технологии дифференцированного применения удобрений в системе координатного земледелия с целью повышения их окупаемости и снижения техногенной энергии».

Цель работы. Исследование технологического процесса, обоснование параметров и разработка дозирующей системы машины для дифференцированного локального припосевного внесения твердых минеральных удобрений в принятой системе позиционирования.

Объекты исследований: технологический процесс, дозирующая система машины для припосевного локального дифференцированного внесения основной дозы твердых минеральных удобрений, включающая дозатор вибрационного типа, блок управления, математическое обеспечение и датчик скорости.

Методика исследования предусматривала:

— изучение вариабельности параметров плодородия поля на основе данных сеточного отбора проб, разработку программного обеспечения формирования электронных карт распределения элементов питания по полю, их анализ и интерпретацию;

— изучение процесса дозирования минеральных удобрений, включая переходные режимы, с использованием автоматизированного стенда;

— лабораторно-полевые исследования дозирующей системы с использованием макета машины для припосевного дифференцированного внесения минеральных удобрений;

— выявление эффективности дифференцированного внесения удобрений при возделывании зерновых культур.

Обработка экспериментальных данных выполнена с использованием методов математической статистики.

Научную новизну составляют:

— закономерности распределения питательных элементов в пределах конкретного поля, алгоритм и программное обеспечение формирования электронных карт распределения элементов питания в рамках одного поля, дифференцированного внесения удобрений с учетом пестроты параметров плодородия поля в принятой системе позиционирования;

— математическая модель оптимизации доз припосевного дифференцированного внесения удобрений с учетом потенциального плодородия элементарных участков поля в принятой системе позиционирования;

— алгоритм и программное обеспечение контроля и управления высокоадаптивной дозирующей системой машины для дифференцированного припосевного внесения гранулированных удобрений в соответствии с электронной картой;

— закономерности изменения секундной производительности и качества дозирования от длительности сигналов, поступающих с электронной карты.

Практическая значимость состоит в разработке дозирующей системы, алгоритма и программного комплекса контроля и управления технологическим процессом, в экспериментальном подтверждении высокой эффективности припосевного дифференцированного внесения гранулированных минеральных удобрений с учетом пространственной изменчивости параметров плодородия.

Реализация результатов исследований. Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы при разработке программного обеспечения формирования электронных карт, дозирующей системы, программы контроля и управления технологическим процессом припосевного дифференцированного внесения минеральных удобрений. Машинная технология дифференцированного применения удобрений, представленная на III выставке-ярмарке «Инновации-2000», проводимой Минпромнауки РФ, награждена медалью и дипломом первой степени. Полученные результаты использованы при создании машины для дифференцированного внесения минеральных удобрений одновременно с посевом СПДУ-6П. Машина удостоенной серебряной медали и диплома второй степени Российской агропромышленной выставки «Золотая осень 2003».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на 1-й Международной научно-технической конференции по проблеме дифференцированного применения удобрений в системе координатного земледелия (30−31 октября 2000 года, Клин — НИКПТИЖ), на 2-й Международной научно-практической конференции по проблеме дифференцированного применения удобрений с системе координатного земледелия (24−26 июня 2001 года, г. Рязань, ГНУ ВНИМС), на Международной научно-практической конференции «Земледельческая механика в растениеводстве» (1819 декабря 2001 года, г. Москва, ВИМ), на XI международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России — Проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции» (9−10 октября 2002 года, г. Москва, ВИМ), на расширенных заседаниях Ученых советов ВНИМС, ВИМ в 2000;2004 гг.

Публикации результатов исследований. По теме диссертационной работы опубликовано 11 работ общим объемом свыше 3 печатных листов, 1 работа находится в печати.

На защиту выносятся:

— алгоритм и программное обеспечение формирования электронных карт распределения элементов питания по полю и дифференцированного внесения удобрений с учетом пестроты параметров плодородия поля в принятой системе позиционирования;

— алгоритм и программное обеспечение контроля и управления дозирующей системой машины для припосевного дифференцированного внесения минеральных удобрений с учетом пестроты распределения параметров плодородия поля в принятой системе позиционирования;

— технологические параметры дозирующей системы машины для припосевного дифференцированного внесения минеральных удобрений.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников из 86 наименований и приложения. Работа изложена на 139 страницах, включает 61 рисунок и 10 таблиц, приложение содержит одну таблицу.

120 ВЫВОДЫ.

1. Выявлены закономерности пространственной изменчивости параметров плодородия рН, NPK и гумуса на агрополигоне ЦОС ВИУА. Вариабельность содержания в пахотном слое 0 — 25 см элементов питания (мг / 100 г почвы), оцениваемая коэффициентом вариации составляет для азота 23 — 68%, фосфора 18−37%, калия 21−43%.

2. С целью повышения точности электронных карт предложен прием сглаживания, или уменьшения, линейной дискретности элементарных участков с присвоением им значений почвенных показателей, плавно изменяющихся в соответствии с заданной функцией сглаживания.

3. Алгоритм и программное обеспечение построения электронных карт распределения элементов питания NPK и дифференцированного внесения удобрений с учетом пространственной изменчивости параметров плодородия, разработанные и проверенные в лабораторно-полевых условиях, позволяют принимать оптимальные управленческие решения рационального использования минеральных удобрений.

4. Для обеспечения дифференцированных доз в диапазоне 0 — 200 кг/га при ширине захвата 3,6 м и скорости движения машины-удобрителя 6−12 км/ч удельная производительность дозирующей системы, оснащенной одним дозатором-модулем, должна изменяться в пределах 0 — 200 г/с.

5. При длительности импульсов до 38 мс дозирующая система с дозатором-модулем вибродискретного типа не обеспечивает необходимого качества дозирования (коэффициент вариации дозы превышает агротехнические допуски — 10%). Для обеспечения требуемой точности выполнения технологического процесса дифференцированного внесения удобрений длительность импульсов должна быть не менее 40 мс.

6. Дозирующая система обеспечивает дифференцированное внесение удобрений от 0 до 200 кг/га с заданным качеством. Для машины с шириной захвата 3,6 м заданный диапазон доз обеспечивается одним дозатором-модулем. Для перспективных машин с Ва = 6 и 7,2 м, работающих на скоростях до 12 км/ч, необходимо устанавливать два дозаторамодуля. При дифференцированном внесении удобрений с дозами до 60 кг/га целесообразно использовать один дозатор.

7. Программное обеспечение управления дозирующей системой позволяет на основе электронной карты управлять дозирующей системой машины для припосевного дифференцированного внесения удобрений таким образом, чтобы на каждый участок поля были внесены удобрения с дозой и качеством, предусмотренными агротехническими требованиями.

8. Испытания макета машины, созданного на базе сеялки С3−3,6, оборудованного дозирующей системой, проведенные на агрополигоне ЦОС ВИУА, показали, что он выполняет технологический процесс припосевного дифференцированного внесения гранулированных минеральных удобрений. Припосевное дифференцированное внесение минеральных удобрений обеспечило, по сравнению с допосевным внесением, повышение урожайности озимой пшеницы на 4 ц/га кондиционного зерна.

включения питания.

Светодиод сигнализации питания.

Светодиод ветодиод.

Светодиод Светодиод импульсов импульсов импульсов импульсов с генератора с датчика на 1 дозатор на 2 дозатор

Рис. 3.13. Передняя панель.

На передней панели размещены два тумблера: тумблер включения и выключения питания и тумблер переключения подачи сигнала от генератора или с датчика скорости. Два движка: движок регулировки частоты генератора и движок регулировки громкости озвучивания сигналов поступающих на дозаторы, пять светодиодов сигнализирующих о наличие питания, импульсов с генератора, импульсов с датчика скорости, импульсов поступающих на разъемы дозатора 1 и дозатора 2.

На задней панели (рис. 3.14) установлены разъемы подключения дозаторов, звуковых импульсов, импульсов на порт СОМ1, импульсов с датчика скорости и питания. Все разъемы снизу имеют шильдики с надписями своего назначения.

Дозатор Дозатор ЗвукИмп ДатСкор ДатСкор Питание.

1 2 вход выход вход 12 В.

Рис. 3.14. Задняя панель.

Порядок работы и описание работы электрооборудования макета.

Включить тумблер питания на блоке макета.

Включить тумблер подачи сигналов с датчика скорости или с генератора.

Сигналы с генератора служат для проверки работоспособности системы управления и тестирования сеялки без движения, настроены на имитацию движения сеялки со скоростью 3−4 км/час.

Если предусматривается проводить испытания в движении сеялки, то включается тумблер в положение «Датчик».

Сигналы с датчика скорости или генератора поступают на ЭВМ и являются запускающими программу внесения. Программа выдает на выход колонок электрический сигнал определенной длительности, напряжением 1 В, током до 10 мА. Этот сигнал поступает на блок усиления, с выхода которого на дозаторы, напряжением 12 В и током нагрузки до 10 А.

Предполагается, что передаточное число оборотов колеса и датчика скорости равно 1:1, если другое, то необходимо скорректировать длину проходимого пути в программе.

У макета машины, на который должна устанавливаться дозирующая система радиус колеса 37,5 см и периметр обода колеса составляет 2 м 40 см. В случае установки дозирующей системы на другую машину, необходимо скорректировать длину проходимого пути в программе.

С датчика скорости симметричные прямоугольные импульсы поступают на блок управления (рис. 3.15), а с блока управления на порт СОМ1 ЭВМ. При поступлении сигнала на порт СОМ1, программа формирует посылку синусоидальных импульсов определенной длительности от 1 до 100 мс. Эти импульсы поступают на блок управления. В блоке управления посылка синусоидальных импульсов преобразуется в прямоугольный импульс. Длительность импульса определяет время, в течение которого будет подано напряжение на электромагниты дозаторов, которые открывают щель из бункера. При открытой щели происходит высыпание удобрения к распределяющим или заделывающим рабочим органам машины для внесения удобрений.

Порт ЭВМ СОМ1.

5-GND.

6-DSR.

Блок управления.

Разъем ДатСкор выход.

Датчик скорости от.

— fir щ.

Тумблер ^ .

Реле2.

131° пРеобРаз^, ет ^I'dJo спадающей сигнал разряда емкости в прямоугольный.

Светодиод сигналов с генератора 3001.

Генератор прямоугольных импульсов на.

Светодиод сигналов с датчика транзисторах разной проводимости — 22к as.

ДатСкор| вход.

J Доз1 jqq Усилитель мощности из набора) — эмитерных повторителей.

Разъем | Преобразователь посылки Звукимп|С11нУС0"дальных сигналов вход в прямоугольный импульс.

Тумблер питание.

И Доз2.

Ратьем |.

Питание 12 В.

Светодиод питание 12 В 0.

Усилитель мощности на второй дозатор

Рис. 3.15. Принципиальная схема блока управления.

3.4. Исследование качества работы дозирующей системы 3.4.1. Изменение стабильности высева.

В ходе эксперимента требовалось исследовать возможности вибрационного дозатора и системы управления обеспечивать нижние и верхние пределы доз минеральных удобренийопределить пределы посекундного расхода массы дозирующим аппаратом при скорости движения агрегата до 12 км/часоценить неравномерность высева минеральных удобрений и отклонение дозы от заданнойоценить скорость перехода с одной дозы на другую при внесении минеральных удобрений на малых и на больших дозахвыявить влияние гранулометрического состава минеральных удобрений, поставляемых нашими заводами, на качество работы дозирующего устройства и тем самым пригодность его для дифференцированного внесения минеральных удобрений.

Исследования проводили на минеральных удобрениях, удовлетворяющих требованиям ГОСТа по физико-механическим свойствам. Удобрения засыпали в приемный бункер установки. Максимально возможная масса удобрений 45 кг. После загрузки замеряли высоту «столба» удобрений, предварительно разровняв их. Контроль и управление работой дозатора осуществляли с помощью компьютера, который выполнял функцию контроллера. Продолжительность одного опыта составляла 19 с, что соответствовало 100 тактам имитатора датчика колеса. Одному такту соответствует 40 см пути, проходимого агрегатом. При проведении исследований расчет дозы внесения системой дозирования, что ширина захвата одного дозаторамодуля равна 90 см.

Массу удобрений rriy, поступающую через j-й канал дозаторамодуля при i-й повторности за время t определяли взвешиванием на лабораторных весах. При проведении опытов фиксировали вес материала, поступающего из 6-ти каналов (грамм), длительность импульсов (мс), число импульсов, имитируемую скорость движения агрегата (км/ч). Длительность импульсов при проведении исследований изменялась от 130 до 20 мс. Таймер компьютера фиксировал начало, и конец работы дозатора в мс. Все данные заносились в текстовый файл, который затем обрабатывался программными средствами Microsoft Excel. Опыты проводились в 3-х кратной повторности. В.

Среднюю производительность дозаторамодуля q определяли по формуле: q=M/t (3.2) где M=Smij, my — масса удобрений, поступающая через j-й канал дозатора при i-й повтор ности, г.

Неравномерность дозирования удобрений через j-й канал оценивали коэффициентом вариации Qj^, который рассчитывали по формуле:

QM=(.

1 i=N где m j = ~ mij, N-количество отобранных пробojnn — среднеквадратическое отклонение массы в j-м канале, которое рассчитывали по формуле:

1 i=N 2 (m.-щ.).

J™ V N -1 i=l У У •.

Неравномерность подачи удобрений по шести каналам, дозатора оценивали коэффициентом вариации QHB, который рассчитывали по формуле:

Знв=(<*.пМ.)100, (3.4).

Lj=6 б jii и • ~нв где m — = — X m —: °нв ~.

1 j=6 TTKmii-mj)'.

6 -1 j=l У L.

Исследования стабильности дозирования проводились на аммофосе. Размером гранул 1−5 мм, влажность 1,5%, объемным весом 0,9 г/см3. Высота засыпки удобрений в бункер составляла 40, 30, 20, 15 и 10 см. Длительность импульсов 100 — 20 мс с шагом 20 мс.

В каждом опыте определялось среднее значение отклонения дозы от заданной. Результаты исследований представлены в таблице 3.2.