Россия
Россия
Россия
Исследования проводили с цельюоптимизация параметров прицепного опрыскивателя для снижения суммарных энергетических затрат при его работе, с учетом возможных потерь урожая. Вычислительные эксперименты проводил с использованием системной энергетической математической модели опрыскивателей на базе трактора МТЗ-80, 82. Рассматриваемая система включает подсистемы – трактор, оператор, опрыскиватель, поле, почва и урожай (ТООППУ). В качестве критерия оптимизации параметров опрыскивателя приняты суммарные энергетические затраты, включающие, кроме прямых и косвенных энергетических затрат, энергию урожая, теряемого при неверном выборе параметров опрыскивателя.Схема вычислительных экспериментовпредусматривала шести параметрическую оптимизацию параметров агрегата для заданных условий его работы. Для принятых условий работы опрыскивателя(площадь поля Fpolya =60 га; длина гона lgona =0,8 км; расстояние переезда lper =3 км; коэффициент прочности несущей поверхности поля Q1=0,9; объем работы Q=1000 га; культура – яровая пшеница; число сорняков – 50 шт./м2; число тракторов, занятых на операции Ntrakt =1 шт.; продолжительность рабочего дня Tdnev =14 ч; планируемая урожайность YP =40 ц/га; норма внесения ядохимикатов H3 =150 л/га; давление насоса Pnasosa= 3 МПа; давление воздуха в шинах Pw =0,16 МПа; число колес на одном борту моста Zk =1 шт; коэффициент сцепления колес с почвой Kscep = 0,6; коэффициент сопротивления перекатыванию колес fperek =0,1; плотность почвы pz=1300 кг/м3; твердость почвы H=1800000 Па)выявлено наличие сочетания значений шести параметров, когда суммарные энергетические затраты достигают минимума.Оптимальная ширина захвата составляет 32 м, скорость – 10 км/ч, диаметр колеса – 2 м, объем бака для ядохимикатов – 5000 л, ширина профиля шины колеса опрыскивателя– 0,2 м, коэффициент распределения веса опрыскивателя на его опорные колеса – 0,83. При повороте агрегата в пределах поля суммарные энергетические затраты составили 4852,9 МДж/га. При тех же значениях оптимальных параметров опрыскивателя поворот агрегата за пределами поля привел к трехкратному снижению суммарных энергетических затрат до 1365,4 МДж/га. Широко используемые частные показатели эффективности работы опрыскивателей – производительность, расход топлива на единицу обработанной площади не позволяют выявлять пути снижения потерь урожая.
машинно-тракторный агрегат, опрыскиватель, вычислительный эксперимент, энергозатраты, потери урожайности, оптимизация параметров, критерий оптимизации
Введение.Возрастающие антропогенные энергетические затраты при производстве растениеводческой продукции[1, 2] привели к разработке и использованию в производстве так называемых энергосберегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур[3, 4, 5]. Их особенность заключается в широком использовании химических средств борьбы с вредителями культурных растений и сорняками, хотя бы впервые 5…6 лет[6, 7]. В сочетании сраспространением практики применения различных биопрепаратов и стимуляторов роста и развития растений это вызвало формирование устойчивой мировой тенденциирасширения использования агрегатов для опрыскивания культур их растворами [8, 9]. Особенность этой технологической операции – обработка посевов в период вегетации растений, что ведет к уничтожению определенной их части, а значит к потерям урожайности[10, 11].
Среди научных публикациях достаточно часто встречаются работы, посвященные повышению эффективности конструкции опрыскивателей, а также увеличению эффективности их эксплуатации [12, 13, 14]. В основном в них решаютсявопросы, связанные с ростом производительности опрыскивателей, снижением прямых энергетических или финансовых затрат[15, 16]. Известны результаты исследований, посвященных улучшению конструкции опрыскивателей, повышению надежности и качества их работы, автоматизации и роботизации этой технологической операции, особенно при работе с вредными для человека соединениями [17, 18, 19]. Однако исследований, в которых работу опрыскивателей рассматривают системно, с учетом негативного влияния таких агрегатов на формируемый урожай культурных растений недостаточно [20, 21, 22].
Цель наших исследований – оптимизация параметров прицепных опрыскивателей с учетом их негативного влияния на урожайность зерновых культур на примере яровой пшеницы.
Условия, материалы и методы.Для поиска путей повышения эффективности эксплуатации прицепных опрыскивателей, в том числе путем снижения потерь урожая, использовали метод вычислительных экспериментов на основе энергетической математической модели соответствующих машинно-тракторных агрегатов [23, 24, 25]. Критерием оптимальности принимаемых решений служила величина показателя суммарные энергетические затраты [26, 27, 28], который кроме прямых энергетических затрат машинно-тракторного агрегата, учитывает и косвенные, в том числе энергию урожая, теряемого из-за принятия неверных решений по определению параметров опрыскивателя с учетом условий его работы. Вычислительные эксперименты проводили с использованием программ в системе компьютерной математики МАТЛАБ на примере работы опрыскивателя с трактором типа МТЗ-82. Конструкционная схема опрыскивателя – прицепной, одноосный с такими изменяемыми параметрами как ширина захвата, рабочая скорость, диаметра колеса, ширина профиля шины, объема резервуара для ядохимиката, коэффициент распределения веса на опорные колеса, длина дышла и др. Сравнивали организацию работ по защите растений с поворотом агрегата на посеянном поле и за его пределами. Поворот – в конце гона круговой.
Исходные данные для вычислительного эксперимента:
площадь поля Fpolya =60 га;
длина гона lgona =0,8 км;
расстояние переезда lper =3 км;
коэффициент прочности несущей поверхности поля Q1=0,9;
объем работы Q=1000 га;
культура – яровая пшеница;
число сорняков – 50 шт./м2;
число тракторов, занятых на операции Ntrakt =1 шт.;
продолжительность рабочего дня Tdnev =14 ч;
планируемая урожайность YP =40 ц/га;
норма внесения ядохимикатов H3 =150 л/га;
давление насоса Pnasosa= 3 МПа;
давление воздуха в шинах Pw =0,16 МПа;
число колес на одном борту моста Zk =1 шт;
коэффициент сцепления колес с почвой Kscep = 0,6;
коэффициент сопротивления перекатыванию колес fperek =0,1;
плотность почвы pz=1300 кг/м3;
твердость почвы H=1800000 Па.
Результаты и обсуждение.На первом этапе в ходе вычислительных экспериментов выявляли влияние параметров опрыскивателя на выбранный критерий оптимизации и другие общепринятые показатели эффективности работы МТА (производительность, расход топливаи др.), отдельно определяли величинупотерь урожайности для заданного сочетания условий работы.
Расчеты в эксперименте с поворотом внутри поля дали следующие результаты:
оптимальная ширина захвата опрыскивателя Bopt = 32м;
оптимальная скорость агрегата Vopt = 10 км/ч;
оптимальный объем бака опрыскивателя Vemkopt = 5000 л;
оптимальный диаметр колеса опрыскивателя Dk =2,032 м;
оптимальная ширина шины колеса опрыскивателя Bdvigit = 0,2 м;
оптимальный коэффициент распределения веса опрыскивателя на его колеса λц.т._opt= 0,83.
Минимальные суммарные энергетические затраты при оптимальных параметрах опрыскивателя Emin = 4852,9 МДж/га.
Рис. 1 – Изменение суммарных энергетических затрат при работе опрыскивателя от ширины его захвата и рабочей скорости агрегата.
Анализ графического представление влияния параметров опрыскивателя на эффективности его работы показал, что на величину суммарных энергетических затрат большое влияние оказывает ширина захвата опрыскивателя, увеличение которой в 2 раза (с 16 до 32 м) на скорости 10 км/ч снизило суммарные энергетические затраты с 9200 МДж/га до 4853 МДж/га, или почти в 2 раза (рис. 1). Увеличение скорости агрегата так же ведет к уменьшению суммарных энергетических затрат, но по величине это снижение незначительно и составляет 112 МДж/га при ширине захвата 32 м и росте скорости с 7 до 10 км/ч.
Рис. 2 –Изменение суммарных энергетических затрат при работе опрыскивателя от диаметра его опорного колеса и объема бака.
Так как увеличение ширины захвата опрыскивателя сопровождаетсяростом оптимального объема бака (рис. 2, 3),максимальная оптимальная рабочая скорость агрегата 10 км/ч определяется принятой мощностью двигателя трактора80 л.с. и может иметь более высокое значение при использовании трактора с большей мощностью двигателя(рис. 4).
Рис.3–Изменение суммарных энергетических затрат при работе опрыскивателя от объема бака и ширины профиля опорного колеса.
Рис. 4 –Изменение потребной мощности двигателятрактора от ширины захвата и рабочей скорости опрыскивателя.
Пятикратное увеличение объема бака опрыскивателя с 1000 до 5000 л приводит к снижению суммарных энергетических затрат с 5900 МДж/га до 4853, или более чем на 1100 МДж/га (см. рис. 2). При этом увеличение диаметра колеса опрыскивателя с 1 м до 2 м при оптимальном объеме бака опрыскивателя 5000 л дает возможность сократить суммарные энергетические затраты на 180 МДж/га.
С ростом ширины профиля опорного колеса опрыскивателя с 0,2 м до 0,6 мпри оптимальном объемебака опрыскивателя 5000 л суммарные энергетические затраты увеличиваются на 1400 МДж/га (см. рис. 3), что противоречит привычной логике – чем больше ширина колеса, тем меньше уплотнение почвы и, соответственно, потери урожайности. В этом случае определяющеевлияние оказывает не уплотнение почвы, а размер вытаптываемой колесами площади, рост которой сопровождается значительнымповышением потерьурожая. С их учетом оптимальной шириной профиля колеса опрыскивателя следует считать 0,2 м.
Путем правильного подбора коэффициента распределения веса опрыскивателя с полной загрузкой бака жидкостью на его опорные движители,можно снизить суммарные энергетические затраты на 1000 МДж/га (рис. 5). Оптимальнаяего величина для условий проведения вычислительных экспериментов–0,83.
Рис. 5–Изменение суммарных энергетических затрат при работе опрыскивателя от коэффициента распределения веса опрыскивателя на его колеса и ширины профиля опорного колеса
Рис. 6 –Изменение производительности опрыскивателя при изменении ширины его захвата и рабочей скорости.
Интенсивность влияния ширины захвата и рабочей скорости на производительность агрегата примерно одинакова – чем больше ширина захвата и скорость агрегата, тем выше его производительность. Максимальная величина этого показателя 16,5 га/ч соответствует наибольшим заданным значениям ширины захвата – 32 м и скорости – 12 км/ч при условии достаточной мощности двигателя в 86 л.с. (рис. 6)
Рис. 7–Изменение погектарного расхода топлива опрыскивателя при изменении ширины его захвата и рабочей скорости.
Расход топлива на единицу выполненной работы с увеличением ширины захватаагрегата с 16 до 32 мна скорости 10 км/чснижается с 0,72 до 0,43 кг/га (рис. 7).
Рис. 8–Зависимость потерь урожайности от ширинызахвата и рабочей скорости опрыскивателя.
Рис. 9 – Зависимость потерь урожайности отдиаметра опорного колеса и объема бака опрыскивателя.
Характер изменения потерь урожая при варьировании оптимизируемых параметров опрыскивателя почти полностью копирует характер изменения суммарных энергетических затрат.Так, по мере увеличения ширины захвата опрыскивателя с 16 до 32 м при скорости агрегата 10 км/ч потери урожайности яровой пшеницы снижаются с 6,22 до 3,19 ц/га, или более чем в 2 раза (рис. 8).Наиболее значительное влияние на снижение потерь урожайности оказывали увеличение объема бака опрыскивателя, которое сокращает агросроки выполнения технологической операции, и уменьшение ширины профиля шины колеса опрыскивателя, что способствует снижению площади посевов, подвергаемых вытаптыванию движителями опрыскивателя (рис. 9, 10, 11). Такие результаты свидетельствуют о том, что в суммарных энергетических затратах значительная часть приходится на энергию теряемого урожая и именно эта составляющая оказывает наибольшее влияние на оптимальные параметры опрыскивателя.
Рис. 10 – Зависимость потерь урожайности отширины шины колеса и объема бака опрыскивателя.
Рис. 11– Зависимость потерь урожайности откоэффициента распределения
веса опрыскивателя на его колеса иширины шины колеса.
По результатамвычислительного эксперимента с поворотом агрегата за пределами поля были получены такие же оптимальные параметры опрыскивателя, как и в варианте с поворотом внутри поля. При этом минимальные суммарные энергетические затраты резко снизились с 4852,9 МДж/га до 1365,4МДж/га(см. рис. 2 и 12), или более чем на 300 %. Таким образом, основные потери урожая формируются на поворотных полосах (см. рис. 9 и 13), поэтому необходимо принимать организационные и конструкционные (например, путем применения следящих устройств, обеспечивающих движение колес опрыскивателя след в следза колесами трактора)меры по их уменьшению.
Рис. 12–Изменение суммарных энергетических затрат при работе опрыскивателя от диаметра его опорного колеса и объема бака.
Рис. 13– Зависимость потерь урожайности отдиаметра опорного колеса и объема бака опрыскивателя.
Выводы.Вычислительные эксперименты, проведенные с использованием энергетической математической модели опрыскивателей, учитывающей влияние его параметров на формируемую урожайность яровой пшеницы показали, что существует сочетание значений оптимизируемых параметров в пределах заданных величин, когда суммарные энергетические затраты от работы агрегата достигают минимумаДля принятых, в ходе вычислительных экспериментов, условий работы прицепного опрыскивателя с трактором типа МТЗ-82 оптимальная ширина захвата составляет 32 м, скорость – 10 км/ч, диаметр колеса – 2 м, объем бака 5000 л, ширина профиля шины – 0,2 м, коэффициент распределения веса опрыскивателя на его опорные колеса 0,83;
минимальные суммарные энергетические затраты снижаются с ростом ширины захвата агрегата, его рабочей скорости, диаметра колеса опрыскивателя, объема бака; при снижении ширины профиля колеса опрыскивателя и коэффициента распределения веса опрыскивателя на его опорные колеса (в заданных пределах).
При повороте агрегата в пределах поля занятого растениями минимальные суммарные энергетические затраты составили 4852,9 МДж/га, осуществление поворота агрегата за пределами поля привело к их трехкратному снижению до 1365,4 МДж/га.
Для повышения эффективности работы агрегата при обработке посевов вегетирующих растений растворами агрохимикатов необходимо рассматривать систему, в состав которой входят трактор, оператор, опрыскиватель, поле, почва, урожай (ТООППУ),а в качестве объективного критерия оптимизации его параметров использовать суммарные энергетические затраты, учитывающие влияние на урожайность культур.
1. Михайлова З.И., Ивченко В.К., Полосина В.А. Приемы энергосбережения при возделывании яровой пшеницы по двум предшественникам на черноземах выщелоченных // Вестник КрасГАУ. 2022. № 6. С. 41-46. doi:https://doi.org/10.36718/1819-4036-2022-6-41-46
2. Ресурсосберегающие технологии сельскохозяйственного производства. / И.Н Шило, В.Н. Дашков. Мн.: БГАТУ, 2003. 183 с.
3. Влияние минеральных и микробиологических удобрений на биологическую активность каштановой почвы и продуктивность яровой твердой пшеницы в условиях сухостепного Заволжья / К. Е. Денисов, И. С. Полетаев, А. А. Гераскина и др. // Аграрный научный журнал. 2022. № 12. С. 27-30. doi:https://doi.org/10.28983/asj.y2022i12pp27-30.
4. Г.А. Булаткин Эколого-энергетические основы оптимизации продуктивности агроэкосистем /отв. ред. В.В. Снакин. М.: НИА-Природа, 2008. 366 с.
5. Шпаков А. С., Прологова Т. В., Воловик В. Т. Агроэнергетический анализ в специализированных животноводческих хозяйствах. М.: РАН, 2021. 93 с.
6. Ивенин А. В., Саков А. П. Влияние систем обработки светло-серой лесной почвы на урожайность и энергетическую эффективность выращивания зерновых культур за ротацию зернового севооборота в условиях Волго-Вятского региона // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2020. Т. 15. № 2(58). С. 14-19. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2020-14-19.
7. Зубко Н. Г., Долженко Т. В. Действие фунгицидов на содержание фотосинтетических пигментов в растениях пшеницы яровой // Аграрная наука. 2022. № 12. С. 110-118. doi:https://doi.org/10.32634/0869-8155-2022-365-12-110-118.
8. Ревякин Е.Л., Краховецкий Н.Н. Машины для химической защиты растений в инновационных технологиях: науч. аналит. обзор. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2010. 124 с.
9. Технические средства для химической защиты растений: состояние и перспективы развития / А. С. Дорохов, И. А. Старостин, А. В. Ещин и др. // Агроинженерия. 2022. Т.24, № 3. С. 12-18. doi:https://doi.org/10.26897/2687-1149-2022-3-12-18.
10. Тенденции развития опрыскивателей и задачи совершенствования методов расчета их параметров и режимов работы / А. А. Нурмиев, Н. Р. Залаков, Э. П. Утяшеви др. // Современное состояние и перспективы развития технической базы агропромышленного комплекс: научные труды Всероссийской (национальной) научно-практической конференции, посвященной памяти д.т.н., профессора Мартьянова А.П. Казань: Казанский государственный аграрный университет, 2022. С. 429-437.
11. Захаренко В. А. Современное состояние и перспективы экономики применения пестицидов в агроэкосистемах России // Агрохимия. 2021. № 5. С. 68-83. doi:https://doi.org/10.31857/S0002188121050148.
12. Патент № 2253229 C2 Российская Федерация, МПК A01M 7/00. опрыскиватель: № 2003111831/12: заявл. 23.04.2003: опубл. 10.06.2005 / Н. Н. Краховецкий; заявитель ОАО «Научно-исследовательский институт сельскохозяйственного машиностроения им. В.П. Горячкина».
13. Дьячков А.П. К вопросу определения грузоподъемности основного бака полуприцепного опрыскивателя // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2016. № 1 (48). С. 56-63.
14. Константинов М.М., Петренко Е.С. Технико-экономическое обоснование ширины захвата штангового опрыскивателя // Известия ОГАУ. 2018. № 1(68). С.122-125.
15. Зырянов А.П., Гуляев Д.В. Теоретическое исследование баланса времени смены работы опрыскивателя // Вестник ЧГАА. 2013. Т. 65. С. 20-23.
16. Мезникова М. В. Влияние технологических параметров вертикального опрыскивания на обеспечение экологической безопасности при возделывании пропашных культур // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2022. № 4(68). С. 502-514. doi:https://doi.org/10.32786/2071-9485-2022-04-59.
17. Направления повышения эффективности использования полевых штанговых опрыскивателей / И. С. Крук, О. В. Гордеенко, С. К. Карпович и др. // Агропанорама, 2022. № 5(153). С. 2-10.
18. Коннов Д. И., Проскурин Д. А. О средствах автоматизации самоходных полевых опрыскивателей // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: материалы Всероссийской научно-методической конференции (с международным участием). Оренбург: Оренбургский государственный университет. 2021. С. 625-627.
19. Сабиров, Р. Ф. Определение дисперсности распыливания рабочего раствора биопрепарата / Р. Ф. Сабиров, А. Р. Валиев, Ф. Ф. Мухамадьяров // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2022. - Т. 17, № 1(65). - С. 77-82.
20. Фёдоров Р.Н., Хафизов К.А. Определение потерь урожая и направления их снижения от уплотнения ходовыми системами машинно-тракторных агрегатов по уходу за растениями // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2009. № 4(14). С 152-155.
21. Хафизов К. А. Оптимизация параметров и режимов работы МТА на основе энергетического анализа // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2006. № 7. С. 32-34.
22. Методика расчета и проектирование дозатора-распределителя почвы / И. Х. Гайфуллин, Д. Т. Халиуллин, М. Н. Калимуллин [и др.] // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2023. - Т. 18, № 1(69). - С. 45-51.
23. Optimization of main parameters of tractor working with soil-processing implement / A. Nurmiev, C. Khafizov, R. Khafizov, et al. // Engineering for Rural Development: Proceedings. 2018. Vol. 17. P. 161-167. doihttps://doi.org/10.22616/ERDev2018.17.N191.
24. Optimization of main parameters of tractor and unit for deep processing of soil according to criterion - total energy costs / C. Khafizov, R. Khafizov, A. Nurmiev, et al. // Engineering for Rural Development. 2020. Vol. 19. P. 603-608. DOIhttps://doi.org/10.22616/ERDev.2020.19.TF134.
25. Khafizov C. A., R. Khafizov, A. Nurmiev, et al. Rationale for Measurements to be Selected for Tractors to Perform Agricultural Activities Differing in Energy Intensity //BIO Web of Conferences. 2021. Vol. 37. С. 00138. URL: https://www.bio-conferences.org/articles/bioconf/abs/2021/09/bioconf_fies2021_00138/bioconf_fies2021_00138.html (дата обращения:20.04.2023).
26. Пути повышения эффективности использования машинно-тракторных агрегатов / К. А. Хафизов, Ф. Х. Халиуллин // Техника и оборудование для села. 2015. № 10. С. 20-22.
27. Энергетический метод оптимизации основных параметров тракторов / К. А. Хафизов, Р. Н. Хафизов // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2015. Т. 10. № 1(35). С. 75-81. DOIhttps://doi.org/10.12737/11383.
28. Сидоренко, И. Д. Теоретические предпосылки к обоснованию формы рабочего элемента вращающегося распылителя / И. Д. Сидоренко // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2023. - № 2(62). - С. 215-220. - DOIhttps://doi.org/10.18286/1816-4501-2023-2-215-220.
