Посевной агрегат как объект функционирования

Введение . За последние два десятка лет на рынке сельскохозяйственной техники присутствуют широкозахватные прицепные посевные комплексы, произведенные как в России, так и за рубежом [1–3]. В России, руководствуясь опытом Западной Европы, стали использовать наиболее передовые энергосберегающие технологии, которые предусматривают последовательное выполнение следующих технологических операций [4, 5]:

– предпосевная обработка почвы;

– посев семян и внесение удобрений в почву,

– прикатывание до и после посева семян и внесение удобрений;

– выравнивание поверхности поля и т.д.

Вопросы разработки конкурентоспособного посевного агрегата, предназначенного для реализации конкретной технологии возделывания культуры, связаны с определением уровня значимости как регионального, всероссийского, так и мирового. Уровень значимости региональный учитывает зональные условия возделывания, но при этом необходимо учитывать и всероссийский уровень значимости, который должен соответствовать мировому уровню, т.е. агрегат должен быть конкурентоспособным. Для его разработки необходим обоснованный подход к оценке условий функционирования посевного агрегата.

Материалы и методика исследований. На рынке посевных машин представлены разнообразные конструкции посевных сеялок и комплексов от известных мировых производителей [6–9]. Сделать необходимый выбор среди них или подобрать тот или иной вариант, который оптимально соответствует потребностям хозяйства, весьма затруднительно. Одни производители показывают высокую технологичность, другие – производительность, третьи – точность высева культур и т.д. В зависимости от вида возделываемой культуры посевные комплексы могут быть специализированными для посева конкретного вида культуры или комбинированными для выполнения нескольких технологических операций для различных видов культур. Распространение получают универсальные широкозахватные посевные сеялки, которые отличаются областью применения и могут эксплуатироваться для посева зерновых, зернотравяных, бобовых, масленичных, травяных и других культур. Проведенный анализ работ по проектированию и созданию новых посевных комплексов показал, что отсутствуют методически обоснованные научнопрактические рекомендации. Задача проектирования и разработка конкретного посевного комплекса является многофакторной и для ее решения требуется системный подход. На начальном этапе проектирования целесообразным является учет условий функционирования посевного комплекса.

Для комплексного решения подобной задачи целесообразно использовать методы системного, структурного, поэтапного анализа и синтеза [10–12]. В основе методики исследования рассматривается жизненный цикл посевного комплекса, который подразделяется на два периода: развития и функционирования . Период развития основывается на выполнении научно-исследовательских (НИР) и опытно-конструкторских работ (ОКР), необходимых для постановки на серийное производство разрабатываемого посевного агрегата. Период целевого функционирования посевного агрегата предусматривает комплекс взаимосвязанных технологических процессов последовательного изменения состояния агрегата. Этот период начинается с обоснования проекта и его разработки , дальнейшей эксплуатации по назначению до окончания эксплуатации с последующей ликвидацией , т.е. снятия с производства. Именно эксплуатационные показатели работы посевного комплекса на период функционирования являются основой для формирования всех требуемых параметров и показателей разрабатываемого посевного агрегата, которые должны учитываться при выполнении НИР и ОКР на уровне научных, проектных и конструкторских решений, включая основы механики сред и достижения цифровой инженерии.

Результаты исследования и их обсуждение. Существующие посевные комплексы могут иметь разные агрегатные составы, схемы компоновок и снабжаться типами и видами рабочих органов, которые позволяют реализовать различные технологии возделывания культур: традиционную, противоэрози-онную, минимальную, нулевую.

На процесс выбора необходимой технологии оказывают влияние почвенно-климатические условия, типы почв, растительные и почвенные покровы, которые определяют:

– величину безморозного периода и влагообеспеченность растений;

– весенний запас влаги в почве, глубину снежного покрова и интенсивность снеготаяния;

– состояние макро- и микрорельефа поверхности поля;

– степень подверженности почвы водной и ветровой, а также механической и другим видам эрозий;

– период прогрева слоя почвенной среды и начало весенне-полевых работ.

На перечисленные показатели влияют и другие факторы, к которым можно отнести применяемую систему севооборота, способы посева культур и внесения минеральных удобрений, своевременность выполнения требуемых агротехнических приёмов и т.д. В совокупности все это определяет конечную цель любой технологии возделывания культур, которая состоит в возможности получения максимальной урожайности с единицы площади при минимальных затратах.

Таким образом, создаваемый посевной комплекс должен обеспечивать выполнение всех технологических операций в севообороте с учетом различных почвенно-климатических зон возделывания культур. При этом также должны соблюдаться предъявляемые агротехнические требования к выполняемым технологическим процессам обработки почвы, посева семян и внесения минеральных удобрений.

Результаты проведенного анализа существующих научных публикаций показали, что при рассмотрении условий функционирования посевного комплекса не всегда учитываются состояние и поведение сред (почвы, семена, минеральные удобрения) [13–15]. Причем учет даже только физико-механических свойств рассматриваемых сред может повлиять на выполнение конкретного технологического процесса. Поэтому функциональное точное описание строения и составление моделей различных деформируемых сред при их моделировании и проектировании с использованием цифровой инженерии является основанием для разработки перспективного посевного комплекса.

Исходя из вышеизложенного, отметим, что условия функционирования посевного комплекса целесообразно представить как систему, состоящую из следующих взаимосвязанных подсистем (рисунок): посевной агрегат (ПА), механико-технологическая (МТ) и механика сред (МС). Так как подсистемы являются детерминированными, а их связи – стохастическими, то целесообразно саму систему рассматривать во времени и в пространстве.

На процесс функционирования посевного агрегата (ПА), состоящего из энергетического средства трактора (Т) и посевного комплекса (ПК), существенное влияние оказывают внешние воздействия с перечнем F входных показателей и почвенно-климатические условия (ПКУ) с соблюдением предъявляемых агротехнических требований (АТТ ) . Эффективность функционирования разрабатываемого посевного комплек с а определяется не только входными F , но и выходными показателями R .

Такой подход позволяет выделить границы существования исследуемых объектов, один из которых – трактор – характеризует способ передачи энергии S посевному комплексу. При этом способ передачи энергии происходит путем преобразования химической энергии топлива двигателя трактора в механическую и через подсистему МТ транспортирует полученную энергию через передающие устройства к исполнительным техническим средствам ( Sn(t), Sc(t), Sm(t )) с целью изменения свойств сред: почвы Us(t) , семян Uc(t) , минеральных удобрений Um(t ). Поэтому применяемые технические средства механико-технологической (МТ) подсистемы должны обеспечивать обработку почвы до и после посева семян и внесения минеральных удобрений. Основное требование к рассматриваемой подсистеме состоит в возможности использования различных перспективных технических средств, предложенных заказчиком. Если ограничиться рамками решаемых в статье задач применительно к возделываемой культуре, то все используемые технические средства должны быть направлены на выполнение следующих операций:

– предпосевная обработка почвы;

– отбор из бункера и дозирование семян и удобрений высевающим аппаратом;

– транспортировка и распределение полученных доз по рукавам семя-тукопроводов и рядкам;

– образование борозд и заделка семян и удобрений в почву рабочими органами;

– выравнивание и прикатывание поверхности поля рабочими органами.

Применительно к подсистеме механики сред требуется учет состояния почвенной среды, семян и минеральных удобрений .

Почвенная среда . Почва – многоуровневая структура и состоит из частиц разного уровня и агрегатов, которые образуют ее фазовое строение. Так как почвенная среда характеризуется взаимосвязью отдельных частиц, то она обладает дисперсностью и неоднородностью. Примером является связь между многоуровневой структурой и функциями почвенной среды, которая оценивается внешним сопротивлением механических воздействий, т.е. прочностью почвы.

Семена . Семена любых культур характеризуются физико-механическими свойствами, к которым можно отнести формы и линейные размеры, характер поверхности и коэффициенты трения, коэффициент парусности, скорость витания, сыпучесть, упругость, твердость и др. Добавим к ним применение новые сортов семян некоторых культур, имеющих осмотические, электромагнитные, стекловидные свойства. Хотя перечисленные свойства оказывают существенное влияние на характер протекания технологических процессов их высева, но главными показателями оценки качества семенного материала являются всхожесть и энергия произрастания , которые зависят от таких показателей, как:

– размер и вес – крупные семена обеспечивают необходимое распределение в почве и способствуют дружным всходам;

– однородность – способствует точному распределению по глубине и ширине заделки, исключая их загущение;

– сыпучесть – упрощает посев и снижает появление засоров в процессе подачи;

– влажность – сохраняет посевные качества и влияет на всхожесть.

Агротехнические требования (АТТ) Agrotechnical requirements (ATR)

Почвенно-климатические условия (ПКУ) Soil and climatic conditions (SCC)

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА TECHNICAL MEANS

ПА

SM

ТРАКТОР TRACTOR

ПОСЕВНОЙ КОМПЛЕКС SOWING MACHINE

p

МТ

МТ

сошники, лапы, диски coulters, paws, disks

Sп(t)

Обработка почвы Soil treatment

Us(t)

нагнетатели, спирали, винты, пневмосистемы, семятукопроводы superchargers, spirals, screws, pneumatic systems, fertilizer pipe

бороны, катки, диски harrows, rollers, disks

Sc(t)