Теоретическое исследование плотности посевного ложа для семян в условиях недостаточного увлажнения почвы

Актуальность. Особенностью посева в условиях недостаточного увлажнения почвы с применением современных энергосберегающих технологий является необходимость либо прямого посева, либо одновременного посева с выполнением обработки почвы комбинированными агрегатами во взрыхленную неосевшую почву. В последнем случае часть семян проникает в более глубокие слои почвы, чем заданная агротребованиями равномерность посева по глубине, а это приводит к неравномерности созревания урожая на одном и том же поле.

В связи с этим одной из актуальных и практически значимых задач является создание уплотненной прослойки почвы на заданной глубине посева с показателями уплотнения, равными 1,0-1Д г/см3, при влажности почвы менее 22-28%.

В последние годы все большее внимание уделяют использованию вибрационных процессов в технологических операциях, снижающих энергоемкость процес

Jj div ■ FdV = ^ F ■ п • d$

сов и повышающих равномерность заданных показателей до требуемых агротехникой величин [1-9]. Однако некоторая непривычность и сомнения в надежности современных конструкций сдерживают широкое применение вибрации в сельском хозяйстве.

Цель исследования заключается в попытке теоретического обоснования возможностей и преимуществ вибрации в процессах посева и обработки почвы путем применения элементов формулы Гаусса-0 стр оградского, в частности коэффициента дивергенции, наглядно демонстрирующего влияние степени изменения производительных потоков, непрерывно распределенных по поверхности.

Методикой предусмотрено, что формула Гаусса-Остроградского выражает поток непрерывно дифференцируемого векторного поля через замкнутую поверхность интегралом от дивергенции этого поля по объему, ограниченному этой поверхностью, и выражается в виде [10]:

или

J dR dO dR\

I — + ^- +— kt> = ЦРсозЯ + Осоз^ + ЯсозК)^

* dx dy dz)                                      ’ где co и S - дифференциалы объема (co) и поверхности (5); в современной записи со = dco - элемент объема, a S - dS - элемент поверхности. Остальные показатели соответствуют параметрам, влияющим на объем и поверхность исследуемого процесса.

Коэффициент дивергенции • dS) - JJJ div ■ ex • da • dz,

где а - скорость изменения объемного показателя.

Правый параметр формулы Гаусса-Остроградского обозначает количество жидкости, вытекающей из объема в единицу времени. В нашей задаче правый параметр можно рассматривать как массовый расход вытекающих из объема бункера семян, или изменение объема усадки почвы при ее уплотнении.

Поскольку предел дивергенции представляет собой div • а = lim ру JJ (а ■    , в т°чке (х, у, z), то в исследуемой задаче он может рассматриваться как предел изменения объемного показателя а при воздействии на него из менения параметров Vc, непрерывно распределенных по исследуемой поверхности.

В результате исследований установлено, что в формуле Гаусса-Остро-градского утверждается, если дивергенция меньше ноля, то имеет место сток жидкости; чем меньше дивергенция, тем быстрее протекает сток, то есть быстрее увеличивается степень изменения этой жидкости в зависимости от параметров, образующих поверхность. При этом предел дивергенции зависит от скорости а исследуемых «потоков» (х, у, z). В исследуемой задаче для любого опыта «скорости» а для каждого параметра в точке (х, у, z) постоянна изначально (задана), следовательно:

div ■ а = lim

V

■ а • dS , в точке (х, у, z).

•о

откуда следует, что степень изменения скорости исследуемого показателя (плотности почвы) зависит от степени изменения скорости поля (по поверхности), создаваемого технологическими параметрами х и у.

В исследуемом технологическом процессе уплотнения почвенного ложа в качестве параметров правой части рассматриваются влажность почвы (х), величина вибрации (у) или масса конструктивного элемента (у), а исследуемый показатель - объемный показатель плотности почвы (z). Поверхность поля N образуется названными параметрами с заданными их значениями, полученными в ходе экспериментов.

Практически при таком подходе дивергенцию можно рассматривать как уровень изменения параметров процесса на исследуемую величину, а предел дивергенции - как ограничение на показатель изменения технологического параметра (исследуемого), задаваемый агротехническими требованиями. Тогда при увеличении показателя дивергенции степень влияния того или иного параметра (х, у) на исследуемый показатель z уменьшается, а сам показатель более стабилен. При уменьшении показа теля дивергенции исследуемый показатель изменяется сильнее и может выйти за пределы допустимого.

В связи с этим можно рассматривать степень изменения линий поверхности отклика исследуемого технологического процесса аналогично изменению замкнутых по поверхности дифференциалов коэффициента дивергенции.

Рассмотрим процесс изменения технологического показателя (плотности почвы z) от массы (х) и технического параметра конструктивного элемента (Т) и влажности почвы (х). В реальных условиях обычный дисковый сошник располагается от точки крепления L = 50 мм, а масса сошника (у) составляет не более 3-4 кг [ 11 ].

Поверхность отклика по полученным экспериментальным данным на рисунке 1 представлена в виде одного локального центра показателя уплотнения почвы при влажности 22-24% и массе сошника 2 кг. При недостаточном увлажнении почвы (влажность менее 18%) ядро центра плотности почвы не достигает завершенности и, скорее всего, образуется вследствие естественного иссушения почвы. Третий центр возможен и при влажности почвы 18-20%, но не достигает своей выраженно- сти при имеющийся массе сошника. В лю- следовательно семена будут проникать в бом случае достичь пределов агротехниче- более глубокие слои почвы.

ских требований невозможно (0,84 г/см3),

>0,84

<0,83

<0.81

<0.79

<0,77

<0,75

<0,73

Рисунок I - График зависимости (по наименьшим квадратам) плотности от массы груза и влажности почвы при L = 50 мм и частоте 5 Гц

Поскольку поставлена задача увеличить плотность почвы семенного ложа до 1,0-1,1 г/см3, остается вариант достижения цели увеличением массы сошника, излишнее увеличение которой нежелательно по экономическим показателям.

Применив рассмотренные элементы формулы Гаусса-Остроградского, можно отметить, что в центрах поверхности отклика линии имеют наибольшую удаленность друг от друга, следовательно, показатель плотности почвы почти не меняется. По периферии центров коэффициент дивергенции стремится к уменьшению, то есть изменение плотности почвы выходит за пределы агротехнических требований. Практически на поверхностях отклика коэффициент дивергенции отражает градиент между линиями на поле, образованном значимыми параметрами (х, у).

При увеличении частоты вибрации до 31 Гц (рисунок 2) при тех же параметрах массы сошника поверхность отклика меняет вид; появляется выраженная ложбина при влажности почвы 22-26%, а центр уходит на более высокий уровень массы сошника. Дивергенция показателя плотности мало меняется и при заданной влажности почвы 18%, но уровень плотности почвы также не достигает необходимого уровня.

При увеличении дальности сошника от точки прицепа к раме сеялки до L = 100 мм (рисунок 3) явно прослеживается локальный центр на уровне влажности почвы 20-24%, при массе сошника 3 кг с малым изменением показателя плотности почвы, однако искомый показатель плотности почвы так и не достигнут, а увеличение параметра L нежелательно, так как увеличивается длина агрегата.

р = 0,436+0,313*х+0,0003*у+0,0007*х*х-0,0002*х‘у+0,ОО011 *у*у, г/см3

■ > 0,8

■ <0,8

□ < 0,78

■ < 0,76

■ < 0,74

Рисунок 2 - График зависимости плотности почвы от массы груза и влажности почвы при £ = 50 мм и частоте 3 I Гц р = 0,3704+0,0387*х+0,031*у-0,0008*х*х-0,0008*х*у-0,0023*у*у, г/см3

>0,82

<0,81

<0,79

<0,77

<0,75

<0,73

Рисунок 3 - График зависимости плотности почвы от массы груза и влажности почвы при £ = 100 мм и частоте 31 Гц

На рисунке 4 при постановке вибрационного уплотнителя массой до 10 кг [11] даже при обычном параметре L = 50 мм и при малой влажности почвы 19,5% плотность почвы составила 1,0 г/см³, что и задается агротехническими требованиями. При этом массу вибрационного уплотнителя вместе с сошником можно сократить до

8 кг. Вместе с тем следует отметить, что коэффициент дивергенции для плотности почвы на уровне агротехнических требований строго ограничивает поле значимых параметров: при малых и больших показателях массы уплотнителя вместе с сошником неравномерность плотности почвы резко падает.

Р = 0,8565+0.0017*х+0,0392*у-3,1492Е-5*х*х-7,6851Е-6*х*у-0,0025*у*у, г/см3

Рисунок 4 - График зависимости плотности почвы от массы груза и частоты

> 1

< 1 <0,95

< 0,9

<0,85

<0,8

<0,75

при влажности почвы 1К=19,5%, /^ = 50 мм

Выводы. Таким образом, при посеве на почвах с недостаточным увлажнением для создания плотного ложа семян с заданной плотностью почвы в пределах агротехнических требований необходима установка дополнительного вибрационного уплотнителя с частотой вибрации не менее 30 Гц.

Более детальное изучение линий поверхностей отклика на графиках, полученных в ходе экспериментальных исследований с применением известных математических методов, позволяет получить объективную оценку и направленность дальнейшего усовершенствования практических задач и выявить оптимальные параметры создаваемых технических устройств, обеспечивающих показатели технологических процессов, заданных агротехническими требованиями.

Работа выполнена в рамках инициативной НИР в соответствии с Программой фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 20132020 годы.