Структурная оценка энергосберегающей технологии возделывания зерновых культур и рабочих органов посевных машин

УДК 631.331

СТРУКТУРНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР И РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОСЕВНЫХ МАШИН

Н. П. Ларюшин, доктор техн. наук, профессор; А. В. Мачнев, канд. техн. наук, доцент; М. А. Ларин, А. Н. Хорев, аспиранты

ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. 8 (412) 62-85-17

Предложена энергосберегающая технология возделывания зерновых культур, включающая в себя прямой или мульчирующий посев. Представлена функциональная оценка подпочвенно-разбросного посева и структурная - рабочих органов посевных машин.

Ключевые слова: посев, сеялка, сошник, высевающий аппарат, энергосберегающая технология.

В условиях рыночной экономики эффективность хозяйствования в большей степени оценивается экономической целесообразностью и конкурентностью производимой продукции. Одной из причин низкой конкурентоспособности отечественного сельскохозяйственного производства являются чрезмерные издержки на возделывание культур, объясняемые применением устаревших технологий и высокоэнергоемких технических средств. В структуре себестоимости растениеводческой продукции основная часть затрат имеет технологиче-

ское и техническое происхождение, поэтому совершенствование технологии и улучшение технических средств являются важнейшими факторами научно-технического прогресса. Одной из важнейших составляющих современного сельского хозяйства является ресурсосбережение [1; 4; 6; 7].

Ресурсосбережение включает в себя деятельность (организационную, экономическую, техническую, научную, практическую, информационную), методы, процессы, комплекс организационно-технических мер и мероприятий, сопровождающих все

стадии жизненного цикла объектов и направленных на рациональное использование и экономное расходование ресурсов. Различают энергосбережение и материа-лосбережение [15].

Энергосберегающая технология - это новый или усовершенствованный технологический процесс, характеризующийся более высоким коэффициентом полезного использования топливно-энергетических ресурсов [16].

Проблема внедрения технологий для производства продукции растениеводства, и производства зерновых культур в частности, с наименьшими затратами труда и ресурсов была актуальна во все времена и стала еще актуальней в настоящее время, когда из-за недостатка технических и топливных ресурсов отечественное производство растениеводческой продукции резко снизилось. В современных условиях переход агропромышленного комплекса на экономические методы хозяйствования, ухудшение экологической ситуации, ограниченность запасов ресурсов, постоянно возрастающая стоимость их производства вызывают необходимость принятия мер по рациональной их экономии. В этой критической ситуации переход в растениеводстве на энергосберегающие технологии возделывания сельскохозяйственных культур является целесообразным [2; 17].

Практика показывает, что в себестоимости сельскохозяйственной продукции 50... 60 % составляют энергоносители и главнейшее место в расходе энергоносителей занимает жидкое топливо. Экономия топлива достигается за счет повышения культуры производства, правильной эксплуатации средств механизации и рационального подхода к ресурсам.

Основой энергосберегающих технологий являются: минимизация обработки почвы, совмещение операций, выполнение основной обработки почвы на меньшую глубину, дифференцированное применение мелкой вспашки с использованием чизеле-вания, применение гербицидов и строго дозированное внесение минеральных удобрений.

В современных условиях энергосбережение выступает в качестве одного из основных направлений в структурной перестройке методов ведения хозяйствования и является залогом стабильного развития всего сельскохозяйственного производства. Переход на новые технологии улучшит экономическое состояние хозяйств. По данным Самарского НИИСХ, ресурсо- энергосберегающие технологии с минимальными

приемами обработки почвы и посева с использованием комбинированных почвообрабатывающих и посевных агрегатов позволяют снизить производственные затраты в среднем на 30.40 %, сократить расход топлива в 1,5.2 раза, повысить рентабельность производства зерна [2; 5; 12].

Энергосберегающие технологии формируются на принципах адаптивности к природным условиям, уровням интенсивности ведения сельскохозяйственного производства, экологической целесообразности и экономической эффективности. Они в большей степени, чем традиционные, отвечают требованиям природоохранного земледелия и коренным образом меняют сложившиеся представления о путях воспроизводства почвенного плодородия, ориентированные в прошлом преимущественно на использование больших доз органических удобрений. Использование минимальных приемов обработки, комбинированных посевных машин в энергосберегающих комплексах привело при равной продуктивности пашни к значительной экономии прямых затрат, снижению в 1,4.1,8 раза расходов на топливо, повышению уровня чистого дохода.

Важным достоинством минимальной обработки является уменьшение миграции азота в глубокие слои почвы и снижение минерализации гумуса, что позволяет более экономно использовать запасы доступных питательных веществ, уменьшить темпы потерь органического вещества. Обязательным элементом технологий минимальной и нулевой обработки почвы является применение на удобрение измельченной соломы.

При внедрении энергосберегающей технологии возделывания зерновых культур существенная роль отводится посеву и его техническим средствам, так как от качества проведения посева в конечном счете зависит величина получаемого урожая [8; 9]. Анализ способов посева зерновых культур и используемых технических средств показал целесообразность применения подпоч-венно-разбросного посева, который позволяет совместить обработку почвы, внесение удобрений, посев и прикатывание. Применение такого посева с использованием лаповых сошников позволит улучшить распределение семян по площади рассева на заданной глубине и повысить урожайность до 24 %.

Структурная схема энергосберегающей технологии возделывания зерновых культур представлена на рисунке 1. Она включает в себя следующие элементы:

Нива Поволжья № 2 (19) май 2011 73

Рис. 1. Структурная схема энергосберегающей технологии возделывания зерновых культур

1. Зернопаровые и зернопаропропаш-ные севообороты короткой ротации.

2. Энерго- и ресурсосберегающие системы обработки почвы (комбинированная, минимальная и нулевая).

3. Технические средства, которые представлены в большей степени комбиниро-

ванными почвообрабатывающими и посевными агрегатами.

4. Высокоэффективное применение удобрений с использованием биологических средств воспроизводства почвенного плодородия.

5. Экологически безопасную интегрированную систему защиты растений от сорняков, вредителей и болезней.

6. Сорта, устойчивые к болезням и вредителям, с гарантированно высоким качеством зерна.

7. Почвенно-климатические условия.

Следует отметить, что переход на технологии, основанные на новых принципах подготовки почвы и посева (мульчированный и прямой посевы), предполагает обязательное приведение в соответствии с ними и всех других элементов структурной схемы [1; 2; 3; 4].

Основным элементом в структурной схеме энергосберегающей технологии возделывания зерновых культур являются технические средства, в частности посевные машины. Однако необходимо признать, что проблема получения стабильно высоких урожаев пока еще не решена. В результате проведения мероприятий по изучению качественных показателей работы сеялок для подпочвенно-разбросного посева установлено, что, несмотря на их бесспорные

Рис. 2. Функциональная схема технологии возделывания озимой пшеницы

преимущества, они все же обладают некоторыми недостатками: недостаточная равномерность распределения семян по площади рассева и заданной глубине; забивание подсошникового пространства почвой, растительными остатками и семенами; повышенное удельное тяговое сопротивление агрегатов; пульсация потока семян при выходе из высевающего аппарата. Все это приводит к повышению энергетических затрат при посеве и снижению урожайности зерновых культур [9].

На основе анализа структурной схемы энергосберегающей технологии предложены технологии возделывания яровой и озимой пшеницы с минимальной и нулевой обработкой почвы соответственно.

Технология возделывания озимой пшеницы при нулевой обработке почвы (рис. 2) состоит из последовательно выполняемых операций: химической обработки почвы (при необходимости); погрузки и транспортировки минеральных удобрений; протравливания семян, их погрузки и транспортировки; посева с внесением минеральных удобрений; погрузки, транспортировки и внесении минеральных удобрений (подкормки); обработки гербицидами, фунгицидами и инсектицидами; уборки и транспортировки зерна.

В качестве предшественников озимых культур необходимо применять занятые пары - клеверный, бобово-злаковый (вика-овес, горох-овес), картофельный, сидераль-ные пары, силосные, многолетние травы на 1 укос в год посева озимых и зернобобовые на зерно [9; 10; 11].

Технология возделывания яровой пшеницы при минимальной обработке почвы (рис. 3) включает в себя выполнение следующих операций: обработку почвы; погрузку, транспортировку минеральных удобрений; протравливание семян; погрузку и транспортировку семян; посев с внесением минеральных удобрений; внесение гербицидов, фунгицидов и инсектицидов, уборку и транспортировку зерна. Возможна подкормка минеральными удобрениями.

Таким образом, на сегодняшний день можно выделить две модели энергосберегающей технологии возделывания зерновых культур: с мелкой мульчирующей основной обработкой почвы осенью и весенне-летним уходом за паром комбинированными почвообрабатывающими орудиями, посев универсальными посевными агрегатами; без осенней обработки (гербициды сплошного действия или баковые смеси гербицидов при многолетнем типе засоренности), весенне-летняя обработка пара

Рис. 3. Функциональная схема технологии возделывания яровой пшеницы при минимальной обработке почвы

Нива Поволжья № 2 (19) май 2011 75

Рис. 4. Функциональная схема подпочвенно-разбросного посева зерновых культур: СА - средство агрегатирования; Б - бункер; В - высевающий аппарат; СС - семяпровод сеялки; С - сошник; ВУ- выравнивающее устройство; ПУ - прикатывающее устройство

комбинированными почвообрабатывающими орудиями, посев агрегатами, совмещающими за один проход несколько технологических операций.

Проведенный анализ современных способов и технических средств для посева зерновых культур позволил определить перспективные схемы машин для подпоч-венно-разбросного посева, осуществляющих работу по энергосберегающим технологиям. В соответствии с государственными и отраслевыми стандартами [17, 18, 19, 20, 21, 22] технические средства, используемые при подпочвенно-разбросном посеве зерновых культур, должны оцениваться следующими показателями: фактической нормой высева семян Уй коэффициентом вариации, характеризующим распределение семян по площади рассева У2; неравномерностью высева между высевающими аппаратами У3; неустойчивостью общего высева У4; дроблением семян У5; фактической глубиной заделки семян У6; долей семян, заделанных в слое средней фактической глубины и двух соседних односантиметровых слоях У7; высотой гребней после прохода сеялки У8; рыхлением почвы без оборота пласта У9; крошением почвы У10; уничтожением сорняков У11; удельным тяговым сопротивлением посевной машины У12; сохранением стерни У13; залипанием рабочих органов У14. Все перечисленные показатели (факторы) в конечном счете влияют на урожайность зерновых культур РУ и энергоемкость их производства РЭ.

Изучение технологического процесса подпочвенно-разбросного посева зерновых культур позволило разработать его функциональную схему, представленную на рисунке 4. Основными критериями, влияющими на оценочные показатели работы сеялки

для подпочвенно-разбросного посева зерновых культур, являются: функция внешнего воздействия X (физико-механические свойства семян, почвы и состояния внешней среды); функция состояния технического средства (внутренние нерегулируемые параметры технического средства); функция управляющего воздействия и (внутренние регулируемые параметры технического средства).

Следует отметить, что влияние бункеров Б, семяпроводов СС, выравнивающих ВУ и прикатывающих ПУ устройств на качество выполнения технологического процесса подпочвенно-разбросного посева зерновых культур на сегодняшний день рассмотрено достаточно полно, а работа высевающих аппаратов и лаповых сошников, способных снизить пульсацию потока семян, удельное тяговое сопротивление посевных машин и забивание подсошнико-вого пространства почвой, растительными остатками и семенами, а также повысить равномерность распределения семян по площади рассева, изучена недостаточно полно [23, 24]. Поэтому в функциональной схеме следует обратить особое внимание на основные критерии при работе катушечного высевающего аппарата и лапового сошника.

Для высевающего аппарата функция внешнего воздействия ХВ будет представлена следующими параметрами, которые носят случайный характер: ХВ1 - абсолютная масса семян; ХВ2 - объемная масса семян; ХВ3 - коэффициент трения семян по поверхности; ХВ4 - длина семени; ХВ5 -ширина семени; ХВ6 - толщина семени; ХВ7 - влажность семян; ХВ8 - упругость семян; ХВ9 - коэффициент внутреннего трения;

Рис. 5. Структурная схема технологического процесса работы высевающего аппарата: В - высевающий аппарат

Хвю - погодно-климатические условия.

Функция состояния катушечного высевающего аппарата 2В представлена такими параметрами, как: 2В1 - диаметр катушки; 2В2 - длина катушки; ЖВ3 - расстояние между клапаном и муфтой; ЖВ4 - площадь поперечного сечения желобка катушки; ЖВ5 -ширина желобка катушки; Жв6 - радиус кривизны желобка катушки; 1В7 - толщина перемычки между желобками; 1В8 - количество желобков катушки.

Функция управляющего воздействия иВ описывает процесс настройки катушечного высевающего аппарата на оптимальный режим работы и учитывает следующие параметры: иВ1 - рабочая длина катушки; иВ2 -частота вращения катушки; иВ3 - угол наклона желобков катушки; иВ4 - высота расположения обреза торцевой части клапана; иВ5 - угол наклона торцевой части клапана; иВ6 - поступательная скорость посевной машины; иВ7 - вылет клапана.

Структурная схема технологического процесса работы высевающего аппарата представлена на рисунке 5, анализ которой показал, что пульсацию потока семян можно снизить за счет изменения конструкции желобков катушки и клапана высевающего аппарата.

При изучении технологического процесса работы сошников для подпочвенно-разбросного посева установлено, что функция их внешнего воздействия ХС включает следующие параметры: ХС1 - абсолютная масса семян; ХС2 - объемная масса семян; ХС3 - коэффициент трения семян по поверхности; ХС4 - размерная характеристика семян; ХС5 - влажность семян; ХС6 - упругость семян; ХС7 - влажность почвы; ХС8 -твердость почвы; ХС9 - липкость почвы; ХС10 - коэффициент трения почвы по поверхности; ХС11 - объемный вес почвы; ХС12 -

абразивные свойства почвы; ХС13 - механический состав почвы; ХС14 - коэффициент структурности почвы; ХС16 - погодно-климатические условия.

Состояние сошника можно представить в виде функции 2С, которая включает в себя: 2С1 - ширину захвата лапы сошника;

- угол раствора лапы; ЖС3 - угол крошения лапы; 1С4 - угол резания лапы; ХС5 -угол заострения лапы; ЖС6 - высоту расположения высевающего аппарата; 1С7 - радиус кривизны семяпровода; 1С8 - диаметр семяпровода; ЖС9 - расположение сошников по высоте; ЖС10 - высоту расположения распределителя; 2С11 - высоту расположения пятки, 2С12 - расстояние между распределителем семян и семяпроводом; 2С13 -расстояние между рядами сошников; 2С14 -расстояние между следами сошников.

Совокупность параметров для функции управляющего воздействия иС может быть использована как исходная информация для настройки посевной машины для под-почвенно-разбросного посева на оптимальный режим работы: иС1 - расстояние между распределителем семян и семяпроводом; иС2 - угол наклона линии изгиба крыльев распределителя; иС3 - высота установки отражателя; иС4 - поступательная скорость посевной машины; иС5 - глубина хода сошников; иС6 - угол поворота копирующего устройства; иС7 - длина копирующего устройства; иС8 - высота выходного окна семяпровода; иС9 - угол крошения бороздообразующего рабочего органа, иС10 - высота установки бороздообразую-щего рабочего органа; иС11 - ширина бо-роздообразующего рабочего органа; иС12 -расстояние от носка стрельчатой лапы до носка бороздообразующего рабочего органа; иС13 - норма высева семян; иС14 - угол наклона лапы в почву.

Нива Поволжья № 2 (19) май 2011 77

Рис. 6. Структурная схема технологического процесса работы сошника для подпочвенно-разбросного посева: С - сошник; 1 - первичное образование борозды; 2 - подрезание почвы; 3 - выравнивание дна борозды; 4 - подача семян и удобрений; 5 - распределение семян и удобрений; 6 - заделка семян и удобрений; 7 - упорядочивание потока семян и удобрений; 8 - копирование микрорельефа почвы

Изучение современного состояния вопроса применения сошников для подпоч-венно-разбросного посева позволило разработать структурную схему их технологического процесса (рис. 6). В результате установлено, что первичное образование борозды, упорядочивание потока семян и удобрений, копирование микрорельефа почвы может эффективно повлиять на повышение равномерности распределения семян по площади рассева на заданной глубине при снижении тягового сопротивления технических средств.

На основе анализа функциональной и структурных схем технологического процесса технических средств разработана сеялка-культиватор для подпочвенно-разбросного посева зерновых культур с катушечно-вин-товыми высевающими аппаратами и комбинированными сошниками, применение которой позволяет повысить равномерность распределения семян по площади рассева на заданной глубине, снизить вероятность забивания подсошникового пространства почвой, растительными остатками и семенами, а также тяговое сопротивление посевной машины в целом.

Расчет технологических карт на возделывание яровой пшеницы при традиционной, минимальной и нулевой обработках почвы позволил установить, что затраты труда на весь объем работ составили соответственно 0,4, 0,33 и 0,22 чел.-ч/га. Расход топливо-смазочных материалов при минимальной обработке почвы снизился в 1,6 раза, нулевой - в 2,5 раза, при этом наблюдалось снижение себестоимости продукции соответственно на 201,62 руб./ц и

236,35 руб./ц, что связано с применением сеялки-культиватора с комбинированными сошниками и катушечно-винтовыми высевающими аппаратами.

Результаты полевых исследований сеялки-культиватора показали устойчивое выполнение технологического процесса посева семян зерновых культур в диапазоне скоростей 2,3.3,63 м/с. Отклонение фактической нормы высева от заданной составило 2,9 %, неравномерность высева между высевающими аппаратами - 2,7 %; неустойчивость общего высева 0,7 %; дробление семян - 0,1 %; доля семян, находящихся в слое 50±10 мм - 86,5 %; число семян, не заделанных в почву - 0 шт./м2; коэффициент вариации, характеризующий равномерность распределения семян -47,5 %; уничтожение сорняков 100 %; содержание эрозионно опасных частиц размером менее 1 мм в слое 0-5 см не возрастало, что, в конечном счете, привело к повышению урожайности до 25 %. Тяговое сопротивление двухсеялочного агрегата при прямом посеве на глубине 0,05 м и производительности за час основного времени 6,02 га/ч составило 23,9 кН, а удельные энергозатраты - 9,48 кВтч/га.

Таким образом, результаты исследований доказали экономическую эффективность применения разработанной энергосберегающей технологии возделывания зерновых культур при минимальной и нулевой обработках почвы с использованием сеялки-культиватора для подпочвенно-раз-бросного посева с комбинированными сошниками и катушечно-винтовыми высевающими аппаратами.

Литература

1. Орлова, Л. В. Ресурсосберегающие технологии - шанс для российского АПК / Л. В. Орлова // Сельскохозяйственная техника: Обслуживание и ремонт. - 2008. -№ 10. - С. 11-16.

2. Носова, Д. Беречь землю и горючее: политика ресурсосбережения в действии / Д. Носова // Крестьянские ведомости. -

2008. - № 4. - С. 4-5.

3. Власенко, А. Н. Ресурсосбережение в системе обработки почвы при возделывании яровой пшеницы / А. Н. Власенко, В. К. Каличкин, Д. С. Андриянушкин // Достижения науки и техники АПК. - 2004. -№ 5. - С. 15-18.

4. Бочкарев, В. К. Ресурсосберегающие технологии: комплексный подход / В. К. Боч-карев // Техника и оборудование для села. - 2004. - № 4. - С. 8-9.

5. Зуев, В. М. Потенциальные возможности растениеводства: пути их реализации / В. М. Зуев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1998. -№ 6. - С. 6-8.

6. Слащинин, Ю. И. Разумное земледелие, или как «плохую» землю сделать хорошей / Ю. И. Слащинин. - СПб.: Дума, 2004. - 170 с.

7. Ламарка, Карлос Кроветто. Эффективность ресурсосберегающей техники / Карлос Кроветто Ламарка // Земледелие. -

2009. - № 3(4). - С. 8-11.

8. Ларюшин, Н. П. Сеялка сплошного высева с комбинированными сошниками / Н. П. Ларюшин, А. В. Мачнев, В. В. Шумаев // Тракторы и сельхозмашины. - 2011. -№ 2. - С. 11-12.

9. Посевные машины: Теория, конструкция, расчёт / Н. П. Ларюшин, А. В. Мачнев, В. В. Шумаев и др. - М.: Росинформагро-тех, 2010. - 292 с.

10. Казаков, Г. И. Экологизация и энергосбережение в земледелии Среднего Поволжья: монография / Г. И. Казаков, В. А. Ми-люткин. - Самара: РИЦ СГСХА, 2010. -245 с.

11. Милюткин, В. А. Успешное земледелие без плуга / В. А. Милюткин. - Самара, 2004. - 120 с.

12. Адлен, Х. П. Прямой посев и минимальная обработка почвы / Х. П. Адлен, пер. с англ. М. Ф. Пушкарева. - М.: Агро-промиздат, 1985. - 208 с.

13. Цирулев, А. П. Лесостепное Заволжье: разработка эффективных ресурсосбе-

регающих агротехнологий / А. П. Цирулев, М. Р. Иксанов // Ресурсосберегающее земледелие. - 2009. - № 1. - С. 17-23.

14. Клапотовский, М. А. Ресурсосберегающая технология возделывания озимой пшеницы в лесостепи Западной Сибири / М. А. Клапотовский, В. Л. Ершов // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 10 - № 3(65). - С. 5-9.

15. ГОСТ 30166-93. Ресурсосбережение. Основные положения. - Введ. 01.01.2002. -Минск: Издательство стандартов, 2001. -16 с.

16. ГОСТ Р 51387-99. Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения. - Введ. 30.11.99. - М.: Госстандарт России, 1998. - 16 с.

17. ГОСТ 31345-2007. Сеялки тракторные. Методы испытаний. Введ. 01.01.09. -М.: Стандартинформ, 2007. - 54 с.

18. ГОСТ 20915-75 Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытаний. Введ. 19.07.75. - М.: Издательство стандартов, 1975. - 118 с.

19. ГОСТ Р 52777-2007. Техника сельскохозяйственная. Методы энергетической оценки. Введ. 13.11.2007. - М.: Стандар-тинформ, 2008. - 11 с.

20. ГОСТ Р 52778-2007. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы эксплуатационно-технологической оценки. Введ. 13.11.2007. - М.: Стандартинформ,

2008. - 28 с.

21. ОСТ 10.5.1-2000. Испытание сельскохозяйственной техники. Машины посевные. Методы оценки функциональных показателей. Введ. 06.15.2000. - М.: Росин-формагротех, 2000. - 72 с.

22. Ларин, М. А. Обзор и анализ конструктивных схем сошников зерновых сеялок / М. А. Ларин, А. В. Мачнев // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. -Пенза: РИО ПГСХА, 2010. - 251 с.

23. Муртазин, Г. Р. Оптимизация основных параметров диска сошника сеялки для прямого посева / Г. Р. Муртазин, Х. С. Фас-хутдинов, Р. А. Бадертдинов // Вестник Казанского ГАУ. - 2009. - № 1(11). - С. 163167.

24. Нуруллин, Э. Г. Некоторые результаты исследований по определению параметров централизованных дозирующих устройств / Э. Г. Нуруллин, И. М. Салахов, И. З. Исламов // Вестник Казанского ГАУ. -

2009. - № 3(13). - С. 147-149.

Нива Поволжья № 2 (19) май 2011 79