Повышение равномерности внесения минеральных и известковых удобрений

Обеспечение населения продуктами питания во многом зависит от производства зерна, гарантирующего продовольственную безопасность страны¹. Качество и объемы зерна, в свою очередь, зависят от большого количества технологических операций, производимых на всех стадиях его производства².

На сегодняшний день внесение удобрений – одна из важнейших операций в передовых технологиях производства сельскохозяйственных культур, оказывающая влияние на качественные критерии получаемого урожая [1‒3]. Необходимо также помнить, что внесение удобрений приводит к восстановлению плодородия поч-вы3 [4‒6]. Данный эффект весьма важен в вопросе сохранения и воспроизводства плодородия почв ввиду их деградации во многих регионах России4 [7; 8].

Процесс внесения удобрений, как и иные операции, необходимо проводить в сжатые сроки, строго соблюдая агротехнические требования5.

В настоящее время по причине своей эффективности, удобства внесения и хранения наибольшее распространение получили минеральные удобрения6. К основным требованиям, предъявляемым к такого рода удобрениям, относятся их рассыпчатость, стойкость к слеживанию и гранулометрический состав [9].

По результатам исследований установлено [10‒12], что в процессе внесения минеральных удобрений с разным гранулометрическим составом возрастает неравномерность их распределения по поверхности поля (рис. 1), что негативно сказывается на эффективности их применения.

Поэтому исследования, посвященные повышению равномерности внесения минеральных и известковых удобрений, являются актуальными и имеют важное научно-техническое и хозяйственное значение для агропромышленного комплекса страны.

Обзор литературы

Для внесения минеральных удобрений применяют всевозможные разбрасыватели различной компоновки и оснащения. Объединяющим их элементом, как правило, является центробежный рабочий орган, совершенствованию конструктивно-технологических параметров которого уделяется особое внимание [13‒19].

Как отмечают многие исследователи, рабочая ширина внесения и качество распределения удобрений зависят от высоты установки рабочего органа, его угловой скорости, углов размещения лопаток и их наклона относительно горизонта [18; 20]. Наиболее простым в реализации способом является изменение угловой скорости, однако доказано, что на высоких оборотах рабочего органа происходит повреждение частиц удобрений [15; 21].

Ряд других ученых, утверждая о невозможности предсказать траекторию движения частиц из-за их неправильной формы, исследовали место подачи удобрений на рабочий орган как основной фактор, оказывающий влияние на их распределение по поверхности поля [17].

Р и с. 1. Суммарные издержки от неравномерного внесения минеральных удобрений F i g. 1. Total costs from non-uniform application of mineral fertilizers

Согласно мнению Кулешова В. М., для повышения качества внесения минеральных удобрений достаточно использовать концентрированные туки, обладающие высокими физико-механическими свойствами, с однородными по размеру частицами7.

Однако, по статистике, большая часть используемых в сельскохозяйственном производстве удобрений вследствие разных причин не соответствует вышеуказанным требованиям. Поэтому, по мнению ряда ученых, такие составы лучше вносить устройствами, оказывающими пневмомеханическое воздействие на частицы вносимого материала [10; 22].

Материалы и методы

Из анализа литературных источников следует, что основными факторами, влияющими на процесс внесения минеральных удобрений, являются аэродинамические свойства гранул8 и их масса. Так, при равных условиях более крупные частицы, сойдя с рабочего органа, совершают свободный полет в воздушной среде и летят дальше, чем мелкие (пылевидные), распределение которых происходит в непосредственной близости от исполнительного элемента (рабочего органа).

Vol. 34, no. 1. 2024 ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS ^2^ Все это приводит не только к увеличению неравномерности внесения удобрений, но и к снижению производительности машин в связи с уменьшением рабочей ширины захвата агрегата⁹.

Если вносить удобрения, неоднородные по своей структуре, с использованием энергии воздушного потока, то дальность полета мелких частиц, по сравнению с крупными, обладающими большей массой, наоборот, увеличится.

Следовательно, для увеличения качества внесения минеральных удобрений с разным гранулометрическим составом необходима комбинация механического и пневматического воздействия на частицы вносимого материала [23].

На основании вышеизложенного нами разработана экспериментальная лабораторно-полевая установка (рис. 2), состоящая из бункера для минеральных и известковых удобрений 1 , приводных элементов 2 и рабочего модуля, основными органами которого являются центробежный диск 3 и лопастной вентилятор 4 , закрытый кожухом. Привод диска и лопастного вентилятора осуществляется от вала отбора мощности (ВОМ) трактора. Отличительной особенностью привода является то, что частота вращения диска и вентилятора различны благодаря наличию дополнительного редуктора.

Конструктивное решение исполнительного элемента, используемого в данной установке, подтверждено патентом РФ на полезную модель [24; 25].

Р и с. 2. Экспериментальная лабораторно-полевая установка:

1 – бункер; 2 – элементы привода; 3 – центробежный диск; 4 – лопастной вентилятор

F i g. 2. Experimental laboratory-field installation:

1 – bunker; 2 – drive elements; 3 – centrifugal disk; 4 – blade fan

Процесс работы экспериментальной установки протекает следующим образом.

На первом этапе удобрения из бункера самотеком подаются на вершину конуса центробежного рабочего органа и вдоль неё направляются к лопастям диска. На втором этапе в точке схода с диска частицы удобрений, получив некое ускорение, дополнительно подхватываются воздушным потоком, создаваемым лопастным вентилятором, и распределяются по поверхности поля. Скорость воздушного потока регулируется в зависимости от гранулометрического состава вносимого материала, но не ниже скорости схода частиц с плоского диска.

Результаты исследования

Общая кинетическая энергия, сообщаемая частице в момент схода с центробежного рабочего органа, составит:

Eобщ = Eц.д. + Eв.п., где Eц.д. – кинетическая энергия центробежного диска, Дж; Eв.п. – кинетическая энергия воздушного потока, Дж.

На первом этапе перемещение частиц минеральных удобрений по рабочему органу происходит за счет кинетической энергии центробежного диска, которую можно представить в виде суммы двух движений: поступательного – со скоростью υ_n , равной скорости центра инерции; и вращательного – с угловой скоростью ω вокруг мгновенной оси, проходящей через центр инерции¹⁰:

E

т и П J ю²

"Г" ⁺     ,

где J – момент инерции частицы относительно оси вращения, проходящей через его центр масс, кг/м².

Учитывая, что

^ =      ,                                   (3)

R где υокр. – окружная скорость центробежного диска, м/с; R – радиус центробежного диска, м; выражение (2) примет вид:

E Ц*

m ^U n    J О окр.

"R

На втором этапе на частицы удобрений воздействует воздушный поток, который, как и любое движущееся тело, обладает кинетической энергией, равной

, _ pV и 1пк

* В.П. — где ρ – плотность воздуха, кг/м3; V – объем воздушного потока, м3; υв.п. – скорость воздушного потока, м/с; κ – поправочный коэффициент.

Значение поправочного коэффициента учета колебаний скорости воздушного потока κ определяют либо экспериментально, либо с помощью специальных ресурсов.

В итоге общая кинетическая энергия, сообщаемая частице при сходе с рабочего органа, будет равна р _ mUn  JUокр.  PVUв.пЛ

E ^о6щ. " Т ⁺ и ⁺.

Из выражения (4) следует, что кинетическая энергия и, как следствие, дальнос ть полета частиц минеральных удобрений зависят от абсолютной скорости ^ a (Р а ⁼ U n + U окр. + U в.п. ) .

Предварительные испытания агрегата, оснащенного экспериментальным рабочим органом, проводили при симметричной схеме внесения удобрений согласно действующему ГОСТ 28714-200711.

За неравномерность распределения удобрений на общей и рабочей ширине внесения принимали коэффициент вариации массы удобрений, попавшей в отдельные контейнеры размером 1,00×0,25×0,15 м, установленные на общую ширину в сплошной ряд перпендикулярно к направлению движения машинно-тракторного агрегата (рис. 3).

Р и с. 3. Фрагмент экспериментальных исследований

F i g. 3. Fragment of experimental studies

Результаты исследований (на примере внесения нитрофоски) представлены на рисунке 4.

Р и с. 4. Характер распределения нитрофоски: 1 – серийный агрегат; 2 – экспериментальный агрегат

F i g. 4. The nature of the distribution of nitrophoska: 1 – serial unit; 2 – experimental unit

Исходя из результатов (рис. 4) предварительных исследований характера распределения нитрофоски экспериментальным агрегатом, делаем вывод: благодаря наличию воздушного потока произошло перераспределение части пылевидных частиц с центральной зоны к периферии.

Обсуждение и заключение

В результате проведенных исследований обоснована конструкция пневмоцен-тробежного рабочего органа.

Использование разработанных пневмоцентробежных рабочих органов позволяет увеличить равномерность распределения минеральных и известковых удобрений за счет перераспределения части мелких частиц от центральной зоны к периферии. Благодаря данному факту, равномерность распределения повышается на 17,6 %. Рабочая ширина внесения при этом практически не меняется, так как по краям сектора рассева располагаются более крупные частицы, дальность полета которых зависит в основном от энергии, сообщаемой центробежным диском.

В зависимости от характеристик вносимого материала для достижения необходимого разгона частиц могут быть использованы различные комбинации конструктивно-технологических параметров как центробежного рабочего органа, так и лопастного вентилятора.

Таким образом, оснащение серийных машин для внесения минеральных удобрений разработанными пневмоцентробежными рабочими органами позволит расширить спектр их применения.