Повышение равномерности внесения минеральных удобрений оптимизацией параметров дозаторов, направителей и центробежных распределителей

Основными элементами питания сельскохозяйственных растений являются азот, фосфор и калий. Значительная их часть ежегодно выносится из почвы с урожаем, поэтому почвы обедняются, а продуктивность угодий снижается. Так, с урожаем 50 центнеров с 1 га, и соответствующим количеством соломы, из почвы выносится 150 кг азота, 50 кг фосфора и 150 кг калия. Из атмосферы с пылью и осадками поступает лишь 6 кг азота, 1 кг фосфора и 6 кг калия в год [43]. Минеральные и органические удобрения применяют для пополнения почвы питательными элементами и восстановления её структуры. В настоящее время минеральные удобрения (в пересчете на 100% питательных веществ) вносят под посевы в количестве 1,3 млн т. Средняя норма внесения составляет 21 кг/га. В целом минеральными удобрениями удобряют около 29% всех площадей посевов. Органических удобрений вносят около 60 млн т, или в среднем 1 т/га, при этом удобренная органическими удобрениями площадь составляет всего 3,4% общей площади посевов [2].

Внесение удобрений — наиболее ответственная операция. От ее проведения во многом зависит эффективность использования питательных веществ удобрений. Основная задача поверхностного внесения минеральных удобрений заключается в равномерном распределении туков по поверхности почвы, так как недостаточное количество удобрений приводит к снижению прибавки урожайности, а избыток не компенсирует снижение урожайности на мало удобренных площадках и иногда приводит к накоплению вредных веществ, например нитратов.

Так, при неравномерности распределения удобрений 40.60% прибавка урожайности зерновых и пропашных культур снижается на 4.6%, при неравномерности 80% - на 15%. Даже при внесении оптимальных доз удобрений с неравномерностью 50.70% прибавка урожайности зерновых уменьшается на 14. 15% [42].

Предотвращение загрязнения окружающей среды химическими веществами является важнейшим условием эффективности системы удобрения. При неправильном применении удобрений часть элементов питания смывается поверхностным и внутрипочвенным стоком и попадает в реки, загрязняя водоемы и грунтовые воды особенно подвижными соединениями азота [6].

В странах ЕС введены новые нормы экологической безопасности при внесении минеральных удобрений [10].

Новые нормы ЕС (Еи-УККЬ) внедряются с 2006 года, окончание проекта — 2015 год. Нормы ограничивают содержание нитратов в грунтовых водах до 25 мг Ж)3 на литр, что в два раза ниже по сравнению со старыми нормативами.

Вводятся экологические ограничения при внесении удобрений.

Допускаются к применению только сертифицированные удобрения, обязательно наличие централизованной документации, выполнение почвенного обследования: по азоту — каждые 3 годапо фосфору — каждые 6 лет, запрет внесения удобрений при агрономической неготовности почв.

Запрещено внесение удобрений на подтопленных землях, перенасыщенных влагой почвах, замороженных почвах или почвах, покрытых снегом (> 5 см). В качестве исключения допускается внесение на почвах, верхний слой которых за день оттаивает.

Необходимо точное соблюдение расстояния 3 м до поверхностных источников воды. Расстояние снижается до 1 м при наличии приспособления для пограничного внесения.

На склонах > 10% удобрения разрешено вносить поверхностно не ближе 20 м к поверхностным источникам. При расстоянии 0.20 м — немедленная заделка в почву.

Повышаются требования к равномерности распределения удобрений, особенно азотных. Отличным считается распределение с неравномерностью не более 5%.

С увеличением количества применяемых удобрений возрастают объемы работ по их транспортировке, погрузке и внесению. Наиболее трудоемкой операцией по применению удобрений является внесение туков под основную вспашку, по срокам совпадающей с напряженным периодом сельскохозяйственных работ: уборкой и вспашкой почвы. Основная доля вносимых минеральных удобрений приходится на центробежные разбрасыватели, так как они обладают высокой производительностью и надежностью, удобны в загрузке. Однако существует противоречие между высокой производительностью и низким качеством распределения удобрений.

В первой главе выполнен обзор технологий и исследований рабочих органов для рассева минеральных удобрений. Большое число исследований направлено на повышение качества распределения удобрений центробежными аппаратами. Наиболее остро стоит вопрос о повышении равномерности по ширине полосы рассева. Главная особенность такого распределения удобрений состоит в том, что из-за неоднородности аэродинамических свойств удобрений график дозы внесения имеет в центре участок некоторой стабильности, а далее — постепенное уменьшение до нуля.

В таких условиях важнейшим фактором повышения равномерности является выбор оптимального перекрытия смежных проходов агрегата и параллельное вождение его. Отклонение от оптимальной ширины рассева приводит к повышению неравномерности и, следовательно, к браку и нерациональному использованию удобрений.

Ведущие производители машин для внесения минеральных удобрений большое внимание уделяют сервисному обслуживанию, которое включает предпродажную подготовку машин, устранение неисправностей в гарантийный период и консультации по адаптации машин к местным условиям, эффективному их применению с использованием спутниковой навигации и централизованного документирования.

Адаптация параметров машин к условиям функционирования производится при наличии данных о свойствах удобрений и распределяющего аппарата. Данные для настройки машин в виде таблиц получают путем длительных исследований машин в лабораторных условиях. Для этой цели многие фирмы имеют крытые боксы шириной шестьдесят и более метров и длиной, достаточной для установки нескольких рядов улавливателей и прохода машины от начала до конца высева удобрений в улавливатели. С учетом длины участков разгона и остановки машины длина бокса достигает 80. 100 м.

Математическое моделирование процесса распределения удобрений центробежными аппаратами по современной методике позволяет упростить выбор параметров машин при их конструировании и методику испытаний для составления адаптационных таблиц. Установлено [13], что распределение удобрений по ширине полосы рассева X зависит от числовых характеристик угла бросания Ма, аа и дальностей полета частиц Мр, ар как случайных величин, т. е. функция дозы внесения зависит от пяти аргументов ?}{Ма,(та, Мр,<�ур, Х).

Математические ожидания угла бросания и дальностей полета достаточно точно определяются по дифференциальным уравнениям. Решение дифференциального уравнения движения частиц по центробежному диску с вертикальной осью вращения получено П. М. Василенко [26], однако для определения угла бросания и скорости метания удобрений необходимо решать трансцендентное уравнение. Учитывая громоздкость решения дифференциального и трансцендентного уравнений, необходимо разработать программы расчета выходных характеристик аппарата с использованием современных систем компьютерной математики. Программы должны быть наглядными и доступными для использования научными работниками, конструкторами и студентами.

Математическое ожидание дальности полета частиц определяется решением дифференциальных уравнений внешней баллистики при сопротивлении среды пропорциональном квадрату относительной скорости.

Среднее квадратнческое отклонение угла бросания определяют по эмпирическим зависимостям. В теоретических исследованиях движения удобрений по лопаткам аппарата рассматривается одиночная частица, поэтому результатом расчета является угол схода частицы, а не их совокупности.

Сложность теоретического рассмотрения движения сыпучего тела по лопатке аппарата состоит в учете разброса точек подачи при ударном воздействии лопатки со струей подаваемых удобрений. В данной работе предпринята попытка теоретического определения плотности вероятности угла бросания как функции случайного аргумента радиуса или поперечной координаты точки подачи. Радиус подачи представлен в виде суммы двух векторов: координат точек подачи и случайного разброса координат от ударного действия лопатки.

Среднее квадратическое отклонение дальностей полета частиц в работе определено как функция случайного аргумента — коэффициента парусности частиц, вариационный ряд которого получен на парусном классификаторе.

Зарубежные фирмы применяют навигаторы, использующие глобальные системы, например GPS, на их основе разработаны системы «Автоконтур» параллельного вождения агрегатов. Без использования систем параллельного вождения нельзя получить высокую равномерность распределения удобрений.

Система «Автоконтур» используется для посева и разбивки поля на загоны при уборке, пахоте и других операциях. Системы централизованного документирования позволяют осуществить переход к дифференцированному внесению удобрений, когда доза внесения рассчитывается для конкретной площадки на поле и регулируется системой автоматического регулирования, действующей под управлением бортового компьютера, связанного с диспетчерской и со спутниковой системой навигации.

Необходимость регулирования рабочих органов машин возникает из-за изменения условий работы. Так, изменение коэффициента трения удобрений по лопаткам аппарата приводит к нарушению симметричности распределения относительно линии движения и к повышению неравномерности. Изменение дозы внесения удобрений путем увеличения расхода через аппарат приводит к расширению секторов рассева и к увеличению числа частиц, сходящих с начала и с середины лопаток. Такие частицы падают на поле вблизи от линии прохода и создают пик дозы, который не выравнивается перекрытием проходов.

Важной научной задачей является совершенствование методов расчета параметров аппаратов и дозирующих устройств по критериям устойчивости распределения и его нечувствительности к изменению свойств удобрений.

Анализ научных публикаций и патентов по теме исследования показал, что нечувствительность распределения удобрений к изменению их фрикционных свойств можно повысить применением двухдисковых аппаратов, обеспечивающих наложение нескольких секторов рассева. Каждый диск может давать два и более секторов рассева. Если секторы близки к 180 градусам, то их накладкой можно получить равномерное и устойчивое распределение. Многообразие конструктивных разновидностей распределяющих дисков особого значения не имеет.

Система ИлЛаАолу обеспечивает стабилизацию места подачи удобрений на диск, а значит, направлена на снижение чувствительности распределения к внешним факторам в виде наклонов и колебаний машины.

Маятниковый аппарат дает секторы рассева, положение которых не зависит от фрикционных свойств удобрений, но из-за возвратно-поступательного движения трубы его применение ограничено.

Двухдисковый аппарат с соосными дисками и последовательным прохождением материала через диски дает распределение практически не зависящее от фрикционных свойств удобрений, но он не получил распространения из-за сложности привода.

По результатам анализа литературных источников сформулированы цели, объект, предмет, задачи исследований, научная и рабочая гипотезы.

Повышение производительности распределителей минеральных удобрений при выполнении агротехнических требований по равномерности распределения — одна из важнейших задач, обеспечивающих своевременное внесение туков и снижение затрат на их применение. Достигается это применением современных методов проектирования и адаптации машин к условиям эксплуатации.

Цель исследования — повышение равномерности внесения минеральных удобрений оптимизацией параметров дозаторов, направителей и центробежных распределителей по критериям минимальной чувствительности показателей качества распределения к изменению условий эксплуатации.

Объект исследования — технологический процесс распределения твердых минеральных удобрений навесными машинами с центробежными распределителями.

Предмет исследования — закономерности функционирования навесных машин с центробежными аппаратами для распределения твердых минеральных удобрений. Способы снижения чувствительности качества распределения к условиям функционирования путем оптимизации параметров аппаратов, дозаторов и туконаправителей при проектировании и адаптации.

Научная новизна — состоит в применении для обоснования и оптимизации параметров аппаратов, распределяющих сыпучие минеральные удобрения, критерия минимальной чувствительности показателей качества распределения к изменению расхода удобрений, расширяющего возможности использования машины при координатном земледелиив использовании, при моделировании плотности вероятностей дальностей метания, аппарата функций случайных аргументов и векторов дискретных решений уравнений внешней баллистики с сопротивлением среды, пропорциональным квадрату относительной скоростив применении при эксперименте методов динамического подобия и обобщенных критериев с применением функции желательностиусовершенствовании методики расчета прорезей дозирующих заслонок по условиям постоянства числовых характеристик угла бросания не зависимо от изменения расхода удобренийв получении эмпирических зависимостей числовых характеристик угла бросания от расхода минеральных удобрений, частоты вращения, радиуса подачи и угла наклона лопаток.

Во второй главе выполнены разработки алгоритмов и программ для определения выходных характеристик центробежного аппарата, используемых далее при совершенствовании методики проектирования аппаратов.

Предпринята попытка определения расчетным путем распределения массы частиц на выходе из аппарата. Плотность вероятности угла бросания вычисляется как функция случайного аргумента — радиуса подачи, который моделируется как сумма вектора координат точек подачи и случайного разброса координат от ударного воздействия лопатки.

Предложено усовершенствование метода расчета дозирующего устройства навесных машин для рассева минеральных удобрений. Дозирующее устройство состоит из двух заслонок, шарнирно установленных на оси, соосной с осью диска. Одна из заслонок фиксируется на неподвижном секторе и служит для настройки симметричности распределения. Другая заслонка фиксируется на секторе первой заслонки. Взаимный поворот заслонок используется для регулирования дозы внесения удобрений. Середина прорези первой заслонки выполнена по логарифмической спирали, являющейся геометрическим местом точек подачи, обеспечивающих сход с постоянным углом бросания. Если дозирующее отверстие расположено на этой спирали, то середина сектора рассева не меняет своего положения относительно линии прохода агрегата. Регулировка симметричности распределения не требуется.

Среднее квадратическое отклонение угла бросания зависит от радиуса подачи и от расхода удобрений через аппарат, т. е. сга (г, 0. С увеличением расхода среднее квадратическое отклонение угла бросания увеличивается, т. е. сектор рассева расширяется. Если аппарат двухдисковый, то увеличивается перекрытие секторов, которое может приводить к снижению равномерности.

Предложен алгоритм расчета формы и ширины прорезей в дозирующих заслонках по условиям постоянства математического ожидания угла бросания и его среднего квадратического отклонения. Выполнение этих условий при расчете упрощает регулировку дозы при эксплуатации.

Алгоритм расчета прорезей предусматривает вычисление элементов вектора радиусов подачи, соответствующих элементам расхода, заданным в пределах диапазона доз внесения, при постоянстве среднего квадратического отклонения угла бросания. Так как аа (г,@), то из уравнения оа{г, 0) = С получаем зависимость г (О). Далее при каждом г вычисляем диаметр дозирующего отверстия, обеспечивающего получение соответствующего расхода (). Наружные очертания прорези строят по огибающим дозирующих отверстий.

Середина прорези второй заслонки строится по логарифмической спирали ортогональной к прорези первой заслонки. Пересечение спиралей происходит под прямым углом, поэтому форма дозирующего отверстия близка к квадрату. Ширина прорези второй заслонки вычисляется по аналогии с первой заслонкой.

Совершенствование методики расчета в сравнении с ранее опубликованной [13] состоит в применении эмпирической зависимости сга (г&, у/, со), полученной в многофакторном эксперименте автора диссертации. Уточнен алгоритм расчета.

В третьей главе рассмотрены вопросы ранжирования факторов, планирования многофакторного эксперимента, применения методов подобия при эксперименте, применения комплексных критериев оптимизации, обработки результатов эксперимента. Эксперименты выполнены на физической модели аппарата с линейным масштабом 0,5.

В четвертой главе получены уравнения регрессии для математического ожидания угла бросания и его среднего квадратического отклонения. Проверена адекватность уравнений, значимость коэффициентов, выполнено раскодирование уравнений. Все действия по обработке результатов эксперимента выполнены в векторной форме.

В пятой главе приведены результаты полевых опытов с установкой на серийной машине МВУ-0,5 распределяющего аппарата, выполненного по результатам исследований. Изложена усовершенствованная методика обоснования параметров аппарата и дозирующего устройства.

В приложениях приведены документы, характеризующие внедрение результатов исследований, тексты программ, пример расчета. Проведена оценка экономической эффективности разработок.

На защиту выносятся:

— алгоритм и программы расчета в системе МаШСАБ характеристик угла бросания, начальной скорости и дальностей метания при прямом и реверсивном вращении дисков двухдисковых распределяющих аппаратов.

— эмпирические зависимости числовых характеристик угла бросания от расхода минеральных удобрений, частоты вращения, радиуса подачи и угла наклона лопаток, полученные с использованием геометрического и динамического подобия, и применимые для любых диаметров диска.

— методика оптимизации конструкционных параметров и режимов работы аппаратов по результатам экспериментальных исследований с применением обобщенных критериев и функции желательности;

— усовершенствованная методика расчета прорезей дозирующих заслонок по условиям постоянства числовых характеристик угла бросания не зависимо от изменения расхода удобрений.

Практическая значимость работы. Параметры и режимы аппаратов и дозаторов, алгоритмы и программы их оптимизации и адаптации к условиям функционирования. Результаты исследований переданы институту агроин-женерных проблем ФГБОУ ВПО АЧГАА, реализованы в опытном образце машины для внесения минеральных удобрений, могут использоваться при разработке адаптационных таблиц.

Апробация работы. Основные результаты исследования доложены и одобрены на научно-технических конференциях АЧГАА (2007 — 2011 гг.), международной научно-практической конференции в рамках 80-летия кафедры «Сельскохозяйственные машины и оборудование» г. Ростов-на-Дону 2011 г., на «Смотре-конкурсе на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученных высших учебных заведений МСХ РФ» 2008 г.

Публикации результатов исследований. По результатам исследований получены 2 свидетельства на программу для ЭВМ и опубликовано 7 статей, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, в журналах «Вестник ДГТУ» и «Научный журнал КубГАУ». На выставке «ИНТЕРАГ-РОМАШ» в г. Ростове-на-Дону 2012 г. разбрасыватель минеральных удобрений, разработанный с участием автора диссертации, отмечен золотой медалью.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 121 наименования и 25 страниц приложений, включающих акты внедрения результатов исследований, программы и примеры расчета. Основное содержание работы изложено на 166 страницах компьютерного текста, включая 84 рисунка и 15 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Моделирование распределения на выходе из аппарата с помощью программ «Диск-1» и «Диск-2» дает значения скорости относительного и абсолютного движения частиц, отклонения скорости метания от радиуса, угла бросания и значения плотности вероятностей угла бросания с учетом характеристик вектора случайного разброса частиц при ударе о лопатку. Применением реверса вращения дисков можно уменьшить диапазон регулировок ту-конаправителя для адаптации машин к условиям эксплуатации.

2. Середины дозирующих заслонок навесного распределителя удобрений рекомендуется выполнять по спиралям, одна из них является геометрическим местом точек подачи, дающих постоянный угол бросания, и фиксируется на неподвижном секторе, а вторая пересекает первую под углом 90° и фиксируется на секторе первой заслонки. Ширину дозирующих щелей рекомендуется рассчитать по условию постоянства среднего квадратического отклонения угла бросания. Регулирование расхода удобрений для изменения дозы внесения производится поворотом второй заслонки, при этом не требуется регулировка симметричности сектора рассева, что удобно при автоматическом управлении дозой в системах координатного земледелия.

3. Моделирование свободного полета частиц удобрений решением дифференциальных уравнений внешний баллистики при сопротивлении среды пропорциональном квадрату относительной скорости с учетом случайного распределения коэффициента парусности дает результат математического ожидания дальностей полета и плотности распределения удобрений по радиусам зоны рассева. Максимальная дальность Мр при скорости метания 40 м/с и коэффициенте парусности кр = 0.01 Мр = 11.5 м, при кр = 0.02 -Мр = 8 м, при кр = 0.04 — Мр = 5.7 м. Для гранулированного суперфосфата максимальная дальность при скорости метания 30 м/с и угле выброса 0.55 рад. получена 17 метров. Эффективная ширина рассева при этом может быть 32.35 метров.

4. Зависимость математического ожидания угла бросания удобрений по результатам лабораторных опытов аппроксимирована полиномом второй степени, в котором присутствуют все линейные члены, взаимодействия и один квадратичный член фактора, связанного с углом наклона лопаток. Эффекты факторов, в соответствии с величиной коэффициентов при линейных членах в кодированном уравнении, оказались следующими: угол наклона лопаток — 108.9°- радиус подачи удобрений — 51.6°- расход удобрений — 7.6°: частота вращения диска — 5.8°.

5. Зависимость среднего квадратического отклонения угла бросания от расхода, частоты вращения, радиуса подачи и угла наклона лопаток аппроксимирована полиномом второй степени с восемью коэффициентами. Эффекты факторов оказались следующими: угол наклона лопаток — 30°- радиус подачи — 16.3°- расход удобрений — 1.6°. Фактор частоты вращения оказался незначимым. Значимы коэффициенты при квадратичных членах всех значимых факторов.

6. Оптимизация параметров диска диаметром 500 мм с учетом допусков на числовые характеристики угла бросания дает следующие результаты гх = 0.061м, y/RX = -Г и г2 = 0.103м, у/, п =7°. В полевых опытах получена ширина рассева азотно-фосфорно-калийного удобрения NPK по ТУ 2186−3 900 203 789−2003 двадцать семь метров при неравномерности десять процентов.

7. Модернизация распределителя, дозатора и туконаправителя привела к увеличению ширины распределения и улучшению качества внесения удобрений, за счет чего получена общая годовая экономия в размере 1 502 701 руб. с 2808 гектаров обработанной площади.