Россия
Россия
Исследования проводили с целью выявления изменений энергетических затрат и устойчивости оптимальных параметров прицепного опрыскивателя при изменении численных значений факторов, влияющих на его работу, для определения возможности стабильной эксплуатации в различных условиях. Работу выполняли на примере прицепного опрыскивателя для трактора 4К4а типа МТЗ-82 с мощностью двигателя 80 л.с. (оптимальная ширина захвата – 32 м, скорость – 10 км/ч, диаметр колеса – 2 м, объем бака – 5000 л, ширина профиля колеса – 0,2 м, коэффициент распределения веса опрыскивателя на его опорные колеса – 0,83) при изменении следующих условий работы агрегата: площадь обрабатываемого поля от 1 до 101 га, длина гона от 0,1 до 1,1 км, плотность почвы от 1,1 до 1,7 г/см3, производительность заправщика от 100 до 700 л/мин, урожайность зерновой культуры от 15 до 70 ц/га, сезонный объем работы на один агрегат от 100 до 3600 га, норма внесения препаратов от 50 до 330 л/га, количество сорняков, приходящихся на единицу площади поля, от 10 до 460 шт/м2. При увеличении числовых значений первых четырех из перечисленных факторов, определяющих условия работы опрыскивателя суммарные энергетические затраты снижались на 200…2800 МДж/га, рост величин показателей остальных четырех факторов системы приводил к повышению суммарных энергетических затрат на 300…5300 МДж/га. При этом оптимальные параметры опрыскивателя оставались неизменными независимо от варьирования рассматриваемых факторов.
машинно-тракторный агрегат, опрыскиватель, вычислительный эксперимент, энергозатраты, потери урожайности, оптимизация параметров, критерий оптимизации
Введение. Отечественные и зарубежные производители предлагают большое разнообразие прицепных опрыскивателей, отличающихся, в том числе такими важными параметрами, как ширина захвата, объем бака, параметры колес и др. [1, 2, 3]. В связи с этим необходимо понимать - опрыскиватели с какими параметрами наиболее приемлемы для широкого разнообразия условий их применения [4, 5, 6]. Приемлемость тех или других параметров агрегатов решается на основе критерия их оптимальности – суммарные энергетические затраты [7, 8, 9]. На использование опрыскивателей влияют такие факторы, как площадь обрабатываемого поля, длина гона, плотность почвы, производительность заправщика, урожайность зерновой культуры, сезонный объем работы, приходящийся на один агрегат, норма внесения жидких химических препаратов, количества сорняков, приходящихся на единицу площади поля и др. [10, 11, 12]. В предлагаемой статье исследуется вопрос влияния перечисленных факторов системы: трактор-оператор-опрыскиватель-поле-почва-урожай (ТООППУ) на численные значения оптимизируемых параметров опрыскивателя.
Цель исследования – выявление изменений энергетических затрат и устойчивости оптимальных параметров прицепного опрыскивателя при изменении численных значений факторов, влияющих на его работу, для определения возможности стабильной эксплуатации в различных условиях.
Условия, материалы и методы. Оптимальные параметры опрыскивателей (ширина захвата, рабочая скорость, объем бака, диаметр и ширина профиля колеса, коэффициент распределения веса опрыскивателя на его опорные колеса при изменении факторов внешней среды) были определены методом вычислительных экспериментов на основе энергетической математической модели машинно-тракторных агрегатов с прицепными опрыскивателями [11]. Внутри внешнего цикла расчетов для каждого значения фактора среды проводили шестипараметрическую оптимизацию с сохранением данных и автоматическое построение графика зависимости критерия оптимизации и оптимальных параметров опрыскивателя от заданных значений этого фактора. Критерием оптимальности принимаемых решений служили суммарные энергетические затраты, которые кроме прямых энергетических затрат машинно-тракторного агрегата, учитывали косвенные энергетические затраты, в том числе энергию урожая, теряемого из-за принятия неверных решений по параметрам опрыскивателя с учетом условий его работы. Расчеты проводили по компьютерным программам в системе компьютерной математики МАТЛАБ [13].
Ранее [11, 12] был изучен вопрос влияния параметров опрыскивателя на величину суммарных энергетических затрат, включающих и энергию теряемого урожая. Было выявлено что минимальные суммарные энергетические затраты снижаются с ростом ширины захвата агрегата, его рабочей скорости, диаметра колеса опрыскивателя, объема бака, а также при снижении ширины профиля колеса опрыскивателя и уменьшении, в заданных пределах, коэффициента распределения веса опрыскивателя на его опорные колеса.
Для принятых, в ходе вычислительных экспериментов, условий работы [12] прицепного опрыскивателя с трактором типа МТЗ-82 оптимальны следующие параметры: ширина захвата 32 м, скорость 10 км/ч, диаметр колеса 2 м, объем бака 5000 л, ширина профиля 0,2 м, коэффициент распределения веса опрыскивателя на его опорные колеса 0,83. При повороте агрегата в пределах поля с посевом суммарные энергетические затраты составили 4852,9 МДж/га.
В представленной работе решали задачу по определению стабильности оптимальных значений перечисленных параметров при изменении следующих условий работы опрыскивателя: площадь обрабатываемого поля от 1 до 101 га, длина гона от 0,1 до 1,1 км, плотность почвы от 1,1 до 1,7 г/см3, производительность заправщика от 100 до 700 л/мин, урожайность зерновой культуры от 15 до 70 ц/га, сезонный объем работы на один агрегат от 100 до 3600 га, норма внесения препаратов от 50 до 330 л/га, количество сорняков, приходящихся на единицу площади поля, от 10 до 460 шт./м2.
Кроме того, для вычислительного эксперимента использовали следующие исходные данные: поворот агрегата в пределах поля; расстояние переезда lper – 3 км; коэффициент прочности несущей поверхности поля Q1 – 0,9; культура – яровая пшеница; число тракторов, занятых на операции Ntrakt – 1 шт.; продолжительность рабочего дня Tdnev – 14 ч; 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. Для улучшения экологических аспектов [14, 15, 16], верхний предел скорости, исходя из используемых распылителей [17] не должен превышать 12 км/ч.
Результаты и обсуждение. Суммарные энергетические затраты уменьшались на 2700 МДж/га при росте площади поля с 1 до 20 га, а затем стабилизировались на уровне 4850 МДж/га (рис. 1). Оптимальные величины параметров опрыскивателя оставались неизменными во всем рассмотренном диапазоне изменения площади поля. Аналогичную картину снижения суммарных энергетических затрат на 1100 МДж/га наблюдали при увеличении длины гона от 0,1 до 1,1 км (рис. 2) при неизменных оптимальных параметрах опрыскивателя, что свидетельствует об их независимости от этого фактора. Для снижения суммарных энергетических затрат площадь поля должна превышать 20 га, а длина гона – 500 м.
Рис. 1 – Изменение суммарных энергетических затрат и параметров агрегата при увеличении площади поля.
Рис. 2 – Изменение суммарных энергетических затрат и параметров агрегата при увеличении длины гона.
Рис. 3 – Изменение производительности опрыскивателя при увеличении площади обрабатываемого поля.
Такое влияние площади поля, которое невозможно без изменения длины гона, на суммарные энергетические затраты объясняется значительным изменением производительности опрыскивателя при варьировании этого фактора в рассматриваемых пределах в 8,1 раз (рис. 3). Это влияет на длительность проведения работ, а значит и на потери урожайности зерновых культур от нарушения агротехнических сроков выполнения технологической операции [18, 19, 20].
Рис. 4 – Изменение суммарных энергетических затрат и параметров агрегата при увеличении урожайности яровой пшеницы.
Увеличение урожайности зерновой культуры в рассматриваемом диапазоне не влияет на оптимальные параметры опрыскивателя, но приводит к росту суммарных энергетических затрат на 5300 МДж/га (рис. 4).
Рис. 5 – Изменение суммарных энергетических затрат и параметров агрегата при увеличении сезонной нагрузки опрыскивателя.
Увеличение объема работы, выполняемой агрегатом за один сезон с 100 до 3600 га ведет к росту суммарных энергетических затрат на 1160 МДж/га (рис. 5), что связано с ростом потерь урожайности из-за нарушения агротехнических сроков выполнения операции по защите растений. Однако оптимальные величины параметров агрегата остаются неизменными.
Рис. 6 – Изменение суммарных энергетических затрат и параметров агрегата при увеличении плотности почвы.
Изменение плотности почвы, также не влияет на оптимальные параметры опрыскивателя (рис. 6).
Рис. 7 – Изменение суммарных энергетических затрат и параметров опрыскивателя при увеличении производительности загрузчика жидкости.
Повышение производительности загрузчика жидкости в бак опрыскивателя приводит к незначительному снижению суммарных энергетических затрат на 180 МДж/га и они стабилизируются уже при величина этого показателя чуть больше 200 л/мин (рис. 7). При этом на всем протяжении изменения производительности загрузчика оптимальные величины параметров опрыскивателя были стабильны.
Рост нормы расхода опрыскивателем жидкости с 50 до 330 л/га приводит к незначительному, но увеличению суммарных энергетических затрат на 220 МДж/га (рис. 8), что связано со снижение производительности опрыскивателя из-за частых остановок на заправку. При этом наблюдается скачкообразное снижение оптимальной скорости опрыскивателя с 12 до 10 км/ч, при расходе жидкости 115 л/ч и с 10 до 8 км/ч при расходе жидкости 250 л/ч, что объясняется увеличением потребной мощности на внесение жидкости и ограниченной мощностью двигателя модельного трактора в 80 л.с. Приходится вместо ширины захвата агрегата жертвовать его скоростью с целью сохранения меньших суммарных энергетических затрат.
Рис. 8 – Изменение суммарных энергетических затрат и параметров агрегата при увеличении нормы расхода препарата.
Рост количества сорняков на 1 м2 посевов в пределах с 10 до 460 шт./м2 привел к росту суммарных энергетических затрат на 1450 МДж/га (рис. 9), связанных с ростом потерь урожая от влияния сорняков, но оптимальные параметры агрегата при этом не меняются.
Рис. 9 – Изменение суммарных энергетических затрат и параметров агрегата при увеличении количества сорняков на поле.
Выводы. Увеличение площади обрабатываемого поля, длины гона, плотности почвы, производительности заправщика опрыскивателя приводит к снижению суммарных энергетических затрат на единицу выполненной опрыскивателем работы, повышение урожайности зерновой культуры, сезонного объема работы в расчете на 1 агрегат, нормы внесения препаратов, количества сорняков, приходящихся на единицу площади поля – к их росту.
Оптимальные параметры прицепного опрыскивателя для трактора 4К4а типа МТЗ-82 при варьировании большинства факторов, определяющих условия работы этих агрегатов не изменяются.
1. 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.
2. Аналитические исследования технических параметров самодвижущихся опрыскивателей / Е. Е. Демин, А. С. Старцев, А. А. Протасов и др. // Аграрный научный журнал. 2021. № 12. С. 112-114. doi:https://doi.org/10.28983/asj.y2021i12pp112-114.
3. Федоренко В. Ф. Оптимизация методов и инструментов экологической трансформации применения средств защиты растений // Техника и оборудование для села. 2022. № 5(299). С. 22-26. doi:https://doi.org/10.33267/2072-9642-2022-5-22-26.
4. Результаты исследований мощности установленных двигателей и массы самоходных штанговых опрыскивателей / Е. Е. Демин, А. С. Старцев, П. И. Павлов и др. // Аграрный научный журнал. 2022. № 12. С. 73-76. doi:https://doi.org/10.28983/asj.y2022i12pp73-76.
5. Вододохова М. В., Стрельцов И. Н., Беушев А. А. Повышение технических характеристик сельскохозяйственных шин для прицепной техники // Ползуновский вестник. 2022. № 2. С. 153-156. doi:https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2022.02.021.
6. Борисенко И. Б., Мезникова М. В., Улыбина Е. И. Качественные показатели опрыскивания при применении способа полосовой химической обработки подсолнечника // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2021. № 2(62). С. 338-347. doi:https://doi.org/10.32786/2071-9485-2021-02-35.
7. Selection of the main parameters of tractors for direct sowing of grain crops according to various optimization criteria / K. A. Khafizov, R. N. Khafizov, A. A. Nurmiev, et al. // BIO Web of Conferences: International Scientific-Practical Conference «Agriculture and Food Security: Technology, Innovation, Markets, Human Resources». Kazan: EDP Sciences, 2022. Vol. 52. P. 00045. URL: https://www.bio-conferences.org/articles/bioconf/abs/2022/11/bioconf_fies2022_00045/bioconf_fies2022_00045.html (дата обращения: 11.01.2024). doi:https://doi.org/10.1051/bioconf/20225200045.
8. Method of justification for parameters of tractor-implement unit with regards to their impact on crop productivity / C. Khafizov, A. Nurmiev, R. Khafizov, N. Adigamov // Engineering for Rural Development. 2018. Vol. 17. P. 176-185. doi:https://doi.org/10.22616/ERDev2018.17.N193.
9. О синтезе роботизированного сельскохозяйственного мобильного агрегата / А. Ю. Измайлов, Я. П. Лобачевский, Ю. С. Ценч и др. // Вестник российской сельскохозяйственной науки. 2019. № 4. С. 63-68. doi:https://doi.org/10.30850/vrsn/2019/4/63-68.
10. Полищук Ю. В., Лаптев Н. В., Комаров А. П. Применение систем автоматического и параллельного вождения в сельскохозяйственном производстве Республики Казахстан и эффективность их использования // Аграрный вестник Урала. 2020. № 5(196). С. 11-19. doi:https://doi.org/10.32417/1997-4868-2020-196-5-11-19.
11. Энергетическая математическая модель опрыскивателя / К. А. Хафизов, А. А. Нурмиев, Р. Н. Хафизов и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2023. Т. 18. № 2(70). С. 117-126. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2023-117-126.
12. Повышение эффективности использования прицепного опрыскивателя путем снижения потерь урожая / А. А. Нурмиев, К. А. Хафизов, Р. Н. Хафизов и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2023. Т. 18. № 3(71). С. 92-101. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2023-92-101.
13. Хафизов Р.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023684888 Российская Федерация. Программа для расчета шестипараметрической оптимизации конструкции прицепного опрыскивателя: № 2023684483: заявл. 15.11.2023 : опубл. 21.11.2023 / Р. Н. Хафизов, К. А. Хафизов, А. А. Нурмиев; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный аграрный университет».
14. Федоренко В. Ф., Аристов Э. Г., Краховецкий Н. Н. Экологические аспекты оптимизации применения средств защиты растений // Агроинженерия. 2022. Т. 24, № 1. С. 4-11. doi:https://doi.org/10.26897/2687-1149-2022-1-4-11.
15. Направления повышения качества внесения пестицидов в ветреную погоду / И. С. Крук, О. В. Гордеенко, Т. П. Кот и др. // Весці Нацыянальнай акадэміі навук Беларусі. Серыя аграрных навук. 2022. Т. 60, № 3. С. 320-331. DOIhttps://doi.org/10.29235/1817-7204-2022-60-3-320-331.
16. Сабитов М. М. Влияние удобрений и средств защиты растений на засоренность, урожайность и качество зерна озимой пшеницы // Агрохимический вестник. 2021. № 4. С. 41-47. doi:https://doi.org/10.24412/1029-2551-2021-4-008.
17. Свиридов А. С., Катаев Ю. В., Загоруйко М. Г. Анализ типов распылителей сельскохозяйственных опрыскивателей // Аграрный научный журнал. 2021. № 6. С. 96-100. DOIhttps://doi.org/10.28983/asj.y2021i6pp96-100.
18. К вопросу развития и экономической эффективности мелиоративной отрасли Республики Татарстан / М. М. Хисматуллин, А. Р. Валиев, М. М. Хисматуллин [и др.] // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2023. - Т. 18, № 2(70). - С. 199-205. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2023-199-205.
19. Совершенствование влагоаккумулирующей техники и технологии обработки почвы и посева / Н. К. Мазитов, А. Р. Валиев, Л. З. Шарафиев, И. С. Мухаметшин // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2022. - Т. 17, № 2(66). - С. 74-83. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2022-74-83.
20. Хакимов, Р. А. Урожайность и качество зерна озимой пшеницы при различных сроках и способах подкормки растений / Р. А. Хакимов // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2023. - № 3(63). - С. 41-50. - DOIhttps://doi.org/10.18286/1816-4501-2023-3-41-50.
