Теоретические предпосылки и практические приемы рациональной системы обработки почвы в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур

- выбор предпочтительных вариантов способов выполнения технологических процессов на основе разработанных логических математических моделей по критериям качества работы и производительности;

- оптимизация состава технических средств по критерию минимума прямых затрат денежных средств на единицу продукции;

- выбор варианта технологии обеспечивающего рациональный уровень качества товарного картофеля по критерию максимума дополнительной прибыли от реализации доработанного картофеля.

3. Основные положения разработанной методологии могут быть использованы при проектировании машинных технологий производства различных сельскохозяйственных культур.

ЛИТЕРАТУРА

1. Устроев А.А., Орешин Е.Е. Структурно-функциональный анализ технологии предреализационной подготовки картофеля различного назначения // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. Сб. науч. тр., Вып. 86. Спб.: ФГБНУ ИАЭП, 2015. с. 39-47.

2. Логинов Г.А., Фомин И.М. и др. Оптимизация технико-технологических решений в картофелеводстве // Г.А. Логинов, И.М. Фомин и др. - СПб .: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2009. - 191с.

3. Устроев А.А. Методологические аспекты построения математических моделей технологических процессов предреализационной подготовки картофеля // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. Сб. науч. тр., Вып. 89. Спб.: ФГБНУ ИАЭП, 2016.

4. Устроев А.А., Орешин Е.Е. Гибкая технологическая линия обработки картофеля для фермерских хозяйств // Тракторы и сельхозмашины. 2015. № 6. С. 45-46.

5. ГОСТ Р 53056-2008 «Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки».

УДК:631.51.01

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ РАЦИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ В ТЕХНОЛОГИЯХ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

А.Б. КАЛИНИН, доктор техн. наук; А.А. УСТРОЕВ, канд. техн. наук.

Федеральное Государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - ИАЭП»,Санкт-Петербург

На формирование урожая сельскохозяйственных культур при обеспечении растений сбалансированным питанием значительное влияние оказывает физическое состояние почв. Актуальной научной задачей в этой связи является дальнейшее развитие исследований, направленных на оптимизацию водно-воздушных режимов в технологических процессах

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства

возделывания сельскохозяйственных культур. Основной научной гипотезой при этом выступает возможность рационального управления почвенным состоянием в условиях изменяющихся природных и антропогенных воздействий на основе использования законов термоэлектрокинеза в капиллярных анизотермических средах. В работе представлены основные закономерности явления термоэлектрокинеза применительно к почвенной среде. Показано, что динамические режимы движения внутрипочвенной влаги в капиллярных каналах почвы могут быть достигнуты на основе выбора рациональных технологических приемов ее обработки.

Одним из необходимых условий применения почвосберегающей системы земледелия (с учетом целого ряда других условий) является использование растительных и пожнивных остатков. Солома, ботва, сидеральные культуры и т.п. равномерно распределяются по полю и заделываются в верхний воздухопроницаемый слой почвы на глубину не более 12 см. Для выполнения операции лущения стерни наиболее рационально использование комбинированного агрегата, в состав которого входят рабочие органы рыхлительного типа, а также заделывающие и прикатывающие рабочие органы.

С целью формирования значительных запасов влаги в почве и создания разветвленной сети капиллярных каналов основную обработку в осенний период необходимо выполнять рыхлительными рабочими органами без оборота пласта на глубину 25-35 см и более в зависимости от степени уплотнения почвы в период возделывания предшествующей сельскохозяйственной культуры. Для гарантированного разрушения «плужной подошвы» и разуплотнения почв необходимо регулярно, раз в 3-4 года, выполнять рыхление почвы чизельными культиваторами-глубокорыхлителями на глубину 45-55 см в зависимости от места расположения переуплотненного слоя.

Для снижения числа проходов сельскохозяйственных агрегатов и затрат времени на выполнение весенне-полевых работ, предпосевную обработку почвы осуществляют за один проход почвообрабатывающей машины или совмещают обработку почвы с посевом (посадкой). Выбор типа машин для проведения предпосевной обработки почвы во многом зависит от типа почв и вида возделываемой культуры.

Ключевые слова: термоэлектрокинез; физика почвы; обработка почва; технологический прием; технические средства.

THEORETICAL BACKGROUND AND PRACTICES OF RATIONAL SOIL TILLAGE AS A PART OF FARM CROPS CULTIVATION TECHNOLOGIES

A.B. KALININ, DSc

Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems

in Agricultural Production - IEEP", Saint Petersburg

The physical condition of soil has a significant effect on development of farm crop yield under the balanced supply of nutrients. An important scientific task in this respect is to expand the studies aimed at optimizing the water-air regime in the technological processes of agricultural crop cultivation. The main scientific hypothesis in this case is the possibility of the sound soil management in the context of varying natural and anthropogenic impacts based on the laws of thermoelectrokinesis in capillary anisothermal media. The paper describes the main features of thermoelectrokinesis phenomenon applied to soil medium. It is shown that dynamic flow regimes of soil moisture in the capillary soil channels can be achieved through the selection of the most rational soil tillage practices.

One of the necessary conditions for application of soil conservation farming system (with due account for quite a number of other factors) is the use of plant and crop residues. Straw, tops, green manure crops, etc., are evenly distributed across the field and plowed in the upper air permeable layer of soil to a

depth of not more than 12 cm. The most efficient way to break the stubble is to use a combined unit with soil loosening, incorporating and covering work tools.

To accumulate considerable soil moisture deposits and to create an extensive network of capillary channels the basic soil cultivation in autumn is to be performed by loosening work tools, without soil overturning, at a depth of 25 to 35 cm and deeper, depending on the soil compaction degree during the previous crop cultivation. To ensure the "plow pan" breaking and soil softening the soil should be loosened regularly (every 3 to 4 years) with subsoil chisel cultivators to a depth of 45 to 55 cm depending on the location of the over-compacted layer.

With the aim to reduce the number of passes of agricultural machines across the field and the time required for the spring fieldwork, the seedbeds are prepared by a single pass of the tillage machine or the soil tillage may be combined with seeding (planting). The type of machinery for seedbed preparation depends on the soil type and species of cultivated crops.

Keywords: termoelectrokinesis; physical condition of soil; soil tillage; practice; machines and equipment

ВВЕДЕНИЕ

Сложные почвенно-климатические условия большинства регионов России во многом определяют рискованность земледелия в нашей стране и зависимость от влияния неблагоприятных погодных явлений. На формирование урожая в большой мере оказывает влияние физическое состояние почв, даже при обеспечении растений сбалансированным питанием. Наилучшие условия для роста и развития растений во многом определяются наличием влаги в корнеобитаемом слое, а также возможностью широкого распространения корневой системы на значительную глубину. Так, например, корневая система картофеля при отсутствии препятствий для своего развития может проникать на глубину до 1,3 м (рис.

Рис. 1. Распространение корневой системы картофеля внутри почвенного горизонта

Благоприятные почвенные условия в сочетании с достаточным количеством элементов питания способны обеспечивать максимальную продуктивность растений и получение максимальных урожаев сельскохозяйственных культур. Поэтому, наряду с

1).

другими факторами, определяющими эффективность аграрного производства, значительную роль играет выбор системы обработки почвы.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Почва по своей сути является рыхлым слоем земной поверхности, который пронизан многочисленными порами. Внутри пор находится воздух и почвенный раствор. Известно, что в естественном состоянии ненарушенной почвы внутрипочвенная влага, в основном, перемещается по капиллярным каналам. Движение влаги внутри капилляров зависит от сезонных и суточных колебаний температуры в различных слоях почвенного горизонта. Основной научной гипотезой при этом выступает возможность рационального управления почвенным состоянием в условиях изменяющихся природных и антропогенных воздействий на основе использования законов термоэлектрокинеза в капиллярных анизотермических средах.

Поверхность твердых тел, а в нашем случае - поверхность почвенных пор, имеет отрицательный электрический заряд. Положительные ионы растворенных в воде солей притянутся к поверхности капилляра, а отрицательные будут от нее отталкиваться. Внутри почвенных пор или капилляров на периферии водной пленки образуется подвижный слой отрицательно заряженных ионов, т.к. электрическое притяжение уменьшается с увеличением толщины водной пленки [1]. Более холодные стенки капилляров имеют меньший электрический потенциал, и притягивают к себе водную пленку большей толщины. При этом в мобильной части жидкости внутри капилляра соберется меньшее количество заряженных частиц, чем на участке с более высокой температурой стенок. При выравнивании разности потенциалов, ионы из зоны повышенной концентрации устремятся в зону, имеющую меньшее число одноименнозаряженных частиц. Перемещаясь вдоль капилляра к участку, имеющему меньшую температуру стенок, ионы-анионы увлекают за собой воду, находящуюся внутри данного сосуда (рис. 2).

Рис. 2. Схема движения почвенной влаги в капиллярном канале под действием

термоэлектрокинеза 73

Таким образом, за счет выравнивания электрического потенциала внутри капиллярного сосуда, имеющего участки с различной температурой стенок, начинает действовать водяной насос. Насколько велика и эффективна мощность водного насоса, действующего в капиллярах почвенного горизонта, можно судить по миллионам тонн камней, ежегодно «всплывающих» на поверхность земли, по способности почвы в летнее время за считанные часы «впитывать» миллионы литров воды, выпавшей во время грозовых ливней и т.п.

Обязательным условием перемещения почвенного раствора по капиллярам под действием термоэлектрокинеза является многократное превышение длины канала над его толщиной и изменение температуры его стенок по длине [2].

Таким образом, знание основных закономерностей движения почвенной влаги в различные периоды года и время суток в дальнейшем позволяет выбрать такие технологические приемы в системе земледелия, применение которых не только не нарушает динамические режимы движения внутрипочвенной влаги, но и обеспечивает наиболее благоприятные условия развития корневой системы растений. Это позволит обеспечить корневую систему возделываемых культур элементами питания, влагой и воздухом даже в засушливые периоды.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Система обработки почвы при этом должна способствовать выполнению следующих основных условий:

- формирование значительных запасов влаги в нижних слоях почвенного горизонта в осенний период;

- формирование в почве разветвленной сети капиллярных каналов, связывающих пахотный и подпахотный горизонты;

- сохранение и поддержание мелкокомковатой структуры почвы в корнеобитаемом слое в течение всего периода вегетации возделываемых культур;

- формирование на поверхности почвы термоизолирующего и влагоаккумулирующего слоя.

Выполнение этих условий наиболее полно обеспечивает почвосберегающая система земледелия.

Одним из необходимых условий применения почвосберегающей системы земледелия (при соблюдении целого ряда других факторов) является использование растительных и пожнивных остатков. Солома, ботва, сидеральные культуры и т.п. равномерно распределяются по полю и заделываются в верхний воздухопроницаемый слой почвы на глубину не более 12 см. Измельчение и заделка растительных остатков на данную глубину позволяет не только интенсифицировать процесс почвообразования за счет быстрой их переработки почвенными микроорганизмами, но и постепенно формировать слой органики в поверхностном слое.

Проведя обзор существующих типов почвообрабатывающих агрегатов, было установлено, что для лущения стерни, при котором выполняются все необходимые условия для формирования мульчирующего слоя на поверхности почвы, необходимо использовать комбинированные агрегаты, в состав которых входят рабочие органы рыхлительного типа, заделывающие и прикатывающие рабочие органы (рис. 3) [3].

растениеводства и животноводства

Рис. 3. Схема расположения рабочих органов комбинированного агрегата для

лущения стерни

Рыхлительные лапы данных комбинированных агрегатов выполняют крошение верхнего слоя почвы на глубину 10-15 см и обеспечивают наиболее благоприятные условия для заделки растительных остатков, падалицы и т.п. Применение упругих подвесок для рабочих органов рыхлительного типа обеспечивает снижение на 10-15% затрат энергии, необходимой для обработки почвы. Заделывающие рабочие органы: полусферические и вырезные диски, полувинтовые наральники рыхлительных лап, небольшие отвалы и т.п. обеспечивают качественное перемешивание пожнивных остатков, падалицы, удобрений с верхним слоем почвы, в котором обитают аэробные микроорганизмы, способные перерабатывать растительные остатки.

Прикатывающие рабочие органы, входящие в состав комбинированных агрегатов, обеспечивают хороший контакт заделанных растительных остатков с почвой, выполняют дополнительное крошение комков, а также выравнивание поверхности поля. Для лущения стерни можно использовать дисковые культиваторы с жесткой установкой угла атаки и угла наклона дисков. Для обеспечения более высокого качества обработки почвы дисковые культиваторы оснащаются прикатывающими катками [4].

С целью формирования значительных запасов влаги в почве, а также создания разветвленной сети капиллярных каналов основную обработку в осенний период необходимо выполнять рыхлительными рабочими органами без оборота пласта на глубину 25-35 см и более, в зависимости от степени уплотнения почвы в период возделывания предшествующей сельскохозяйственной культуры.

С целью гарантированного разрушения «плужной подошвы» и разуплотнения почв необходимо регулярно (раз в 3-4 года) выполнять рыхление почвы чизельными плугами на глубину 45-55 см в зависимости от глубины расположения переуплотненного слоя. Для разуплотнения почв на разворотных полосах, а также участков поля, где находились технологические колеи, необходимо проводить ежегодное рыхление на глубину до 70 см. Выбор модели чизельнорго плуга должен проводиться с учетом засоренности поля камнями и физико-механического состава почв. Хорошему выравниванию поверхности поля способствует оснащение таких плугов катками различного типа, установленными позади рыхлительных лап (рис. 4).

Рис. 4. Чизельный плуг в комбинации с прикатывающими рабочими органами

После прохода чизельных орудий по следу рабочих органов в почве образуются широкие трещины, в которых вода, выпавшая в виде осадков, стекает под действием сил гравитации на глубину хода рабочих органов и насыщает нижележащие слои влагой. Кроме этого, при взаимодействии рабочих органов чизельных орудий с почвой в ней происходит крошение обрабатываемого пласта в зоне распространения деформации в продольном и в поперечном направлениях. В зоне деформации образуется множество капиллярных каналов, пронизывающих пахотный и подпахотный горизонты.

Требования почвосберегающей системы земледелия, предъявляемые к машинам для основной зяблевой обработки (взамен вспашки), наиболее полно удовлетворяются при использовании комбинированных агрегатов последнего поколения, которые в последнее время получили широкое распространение среди зарубежных земледельцев [3]. Агрегаты данного типа оснащены 3 или 4 рядами рыхлительных лап с узкими наконечниками для работы на глубину до 35 см без оборота пласта, выравнивающими дисками и прикатывающим катком для поддержания заданной глубины обработки. Схема расположения рабочих органов таких машин аналогична схеме, приведенной на рис. 3.

Таким образом, применение в качестве орудий для основной обработки почвы в осенний период комбинированных агрегатов, способных обрабатывать почву на глубину до 35 см без оборота пласта, а также периодичное использование чизельных плугов способствует активизации внутрипочвенных процессов под действием перепада температур, снижает эрозию верхнего плодородного слоя, особенно на склоновых землях, устраняет отрицательные последствия техногенного воздействия на почву.

С целью повышения КПД использования ФАР (фотосинтетически активная радиация) при возделывании большинства видов сельскохозяйственных культур необходимо выполнять их посев (посадку) в более ранние сроки, а также возделывать такие сорта, которые имеют более интенсивную начальную стадию своего развития. Это позволяет максимально использовать запасы почвенной влаги на начальном периоде развития растений и более полно реализовать ресурсы ФАР.

Основными задачами предпосевной обработки почвы в весенний период являются: - сохранение запасов влаги;

- создание рыхлого мелкокомковатого слоя на глубину размещения посевного материала для быстрого и равномерного прорастания семян;

- сохранение агрономически ценной структуры корнеобитаемого слоя, образованной в зимний период времени;

- заделка удобрений;

- создание условий для равномерного распределения посевного материала по площади поля и глубине, а также обеспечение высокой производительности посевных машин.

Применение безотвальной почвосберегающей системы обработки почвы в весенний период позволяет обеспечить наиболее благоприятные условия для прорастания и дальнейшего развития возделываемых культур.

С целью снижения числа проходов сельскохозяйственных агрегатов, а также снижения затрат времени, необходимого для выполнения весенне-полевых работ, предпосевную обработку почвы выполняют за один проход почвообрабатывающей машины или совмещают обработку почвы с посевом [5]. Выбор типа машин для проведения предпосевной обработки почвы во многом зависит от типа почв и вида возделываемой культуры. Для большинства полевых культур предпосевная обработка почвы выполняется комбинированными агрегатами с пассивными рабочими органами, что требует меньших затрат энергии, необходимой для выполнения данной операции. Высокое качество подготовки почвы к посеву и равномерную глубину обработки обеспечивает применение комбинированных агрегатов, в состав которых входят пассивные рабочие органы на упругих подвесках, планирующие балки, а также прикатывающие рабочие органы.

ВЫВОДЫ

1. Преимуществом использования почвосберегающей системы обработки почвы является повышение влагообеспеченности корневой системы возделываемых культур за счет снижения интенсивности перемещения влаги и ее накопления в корнеобитаемом слое. Учет закономерностей протекания внутрипочвенных процессов под действием перепада температур при формировании рациональной системы обработки почвы позволяет снизить затраты труда, энергии и времени на проведение почвообрабатывающих операций.

2. Для внедрения в хозяйствах почво- и ресурсосберегающих систем земледелия необходимо исключить или снизить да минимума применение отвальной вспашки, перейти на использование комбинированных агрегатов, как для основной, так и для поверхностной/предпосевной обработки почвы. Выбор типа агрегата и его комплектации зависит от типа почв, хозяйственных условий и т.п.

3. Дальнейшие исследования почвообрабатывающих орудий в почвосберегающих технологиях возделывания сельскохозяйственных культур необходимо проводить в направлении выбора рационального сочетания рабочих органов комбинированных агрегатов, обоснования рациональных режимов их работы и оценки распределения потоков внутрипочвенной влаги в зависимости от выбранных параметров и режимов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Руководство к практическим работам по коллоидной химии / О. Ню Григоров [и др.] МЛ.: Химия, 1964. 332 с.

2. Дыдышко П.И. Земляное полотно железнодорожного пути. Справочник: науч. тр. ОАО «ВНИИЖТ». - М.:Интекст, 2014. - 416 с.

3. Рекламный проспект компании Lemken. Интенсивный культиватор Карат. LEMKEN 09/14, 1750538^. - 12 а

4. Рекламный проспект компании Lemken. Короткая дисковая борона Рубин 9. LEMKEN 09/14, 1750361^и. - 12 с.

5. Рекламный проспект компании Lemken. Посевная комбинация Сотрай-БоШак. ЬБМКБК 09/14, 1750564^и. - 28 с.

УДК 631.362

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА СУШКИ ЗЕРНА В КАРУСЕЛЬНОЙ СУШИЛКЕ

А.Ф. ЭРК, канд. техн. наук; АН. ПЕРЕКОПСКИЙ, канд. техн. наук

Федеральное Государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - ИАЭП», Санкт-Петербург

Карусельная сушилка имеет ряд преимуществ при сушке высоковлажного (до 40%) зерна. Однако экспериментальные исследования сушилки не дают возможности изучить процесс сушки зерна во всех точках его объема и проанализировать возможные режимы сушки. Для решения этих задач целесообразно использовать математическое моделирование. Такие процессы обычно описываются дифференциальными уравнениями в частных производных при некоторых ограничениях: давление внутри сушилки равно барометрическому; движение теплоносителя перпендикулярно движению слоя семян; теплообмен между теплоносителем и корпусом сушилки не учитывается; теплообмен между теплоносителем и материалом происходит путем конвекции. Приведена математическая модель, которая представляет собой систему из четырех уравнений: первое уравнение - это уравнение сушки для периода падающей скорости; второе - уравнение сохранения количества материала; третье - уравнение теплоотдачи; четвертое - уравнение сохранения энергии. Определены значения коэффициентов, входящих в модель. Представлены аналитические зависимости удельной теплоемкости для слоя материала (ячменя, овса, клевера) от влажности. Решение системы уравнений в частных производных свели к системе обыкновенных дифференциальных уравнений, используя аппроксимацию по пространственным координатам Х и Y. В результате получены зависимости изменения температуры и влажности материала по длине и толщине подвергаемого сушке слоя. Установлена адекватность модели и экспериментальных данных. Наибольшие отклонения не превышали 4,6% для кривой сушки и 8,5% для кривой нагрева. Подставляя в модель численные значения коэффициентов, ее можно использовать для практических расчетов при проектировании сушилок, при поиске оптимальных режимов их работы и для создания систем автоматического управления.

Ключевые слова: математическая модель, сушка зерна, карусельная сушилка.

MATHEMATICAL MODEL OF GRAIN DRYING PROCESS IN A ROTARY DRYER

A.F. ERK, Cand. Sc. (Engineering); A.N. PEREKOPSKY, Cand. Sc. (Engineering) Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - IEEP", Saint Petersburg

78