Лауреаты Национальной премии А. А. Ежевского

Механизм локального дискретного внесения сыпучих органических удобрений

В настоящее время используется огромное количество технологий с целью повысить эффективность получения сельхозпродукции в промышленных масштабах, в том числе вносятся различные химические удобрения и средства защиты. В результате происходит деградация почвы вследствие уничтожения микрофауны и поглощение растениями некоторых химических веществ в избытке, что губительным образом сказывается на здоровье потребителя. 

На данный момент в мире прослеживается тенденция к производству экологически чистых продуктов, а значит, и к органическому земледелию. Это подразумевает применение агротехнологий, исключающих использование химических удобрений и средств защиты растений, а также направленных на повышение урожайности за счет агроприемов, которые предусматривают естественные биологические процессы. В рамках органического земледелия почву обрабатывают специальным образом с сохранением в ней условий для жизнедеятельности микроорганизмов, так как почву и ее плодородие создало и создает живое вещество, состоящее из мириад микроорганизмов и дождевых червей. Организуя процесс внесения органических удобрений, можно управлять плодородием почвы. В настоящее время в промышленном сельском хозяйстве применяется комплекс машин для обработки поля, куда входят машины для внесения различных видов удобрений, часть которых реализует общепринятые технологии внесения органики. 

Современные машины распределяют органические удобрения таким образом, что ценные питательные вещества расходуются как для культурных растений, так и для сорняков, что, в свою очередь, приводит к неполной реализации урожайности культуры и применению дополнительных мер по устранению сорных растений.

Предлагаемый способ
Существующие технологии внесения органики хорошо отработаны и повсеместно применяются в сельском хозяйстве, однако имеют недостатки, которые в значительной степени влияют на конечный урожай. Очевидно, что общепринятые способы внесения увеличивают содержание гумуса в почве, но  также увеличивают неэффективное его использование вследствие поддержания жизнедеятельности и развития сорных растений. 

Предполагается, что наибольший эффект при внесении твердых органических удобрений будет достигнут одновременно с посадкой клубней при соблюдении определенных условий: 

• локальное внесение для прямого питания только выращиваемой культуры; 

• рациональный объем каждой порции; 

• целенаправленное внесение и точное дозирование для равномерного развития растений данной культуры.

Нами предлагается конструкция машины для локального дискретного внесения органических удобрений при посадке клубнеплодов, которая осуществляет равномерный отбор сыпучих органических удобрений из бункера и точно дозированное дискретное внесение в борозду под каждый высаживаемый клубнеплод. Проектируемая машина для внесения органики указанным способом (рис. 2) имеет сошник (1) для открытия борозды, в которую дозированно и дискретно укладывается органическое удобрение (2) при помощи дозирующего устройства (3) путем отбора сыпучего материала из бункера (4). Привод механизма дозирования удобрений связан синхронизирующим устройством (5) в виде цепной передачи с механизмом для  высаживания клубней. Равномерно отбирая клубни из бункера (6), клубневысаживающий механизм (7) укладывает их с заданным шагом в борозду, а благодаря механизму синхронизации (5) и точной его настройке клубни (8) при посадке располагаются на заранее дискретно уложенных порциях удобрений, предназначенных для питания этих клубней во время вегетации. Борозда с удобрением и посадочным материалом закрывается почвой при помощи загортача (9), а сформированный гребень уплотняется катком (10) с целью обеспечения тесного контакта с почвой и лучшего прорастания клубней.

Обоснование кинематических характеристик машины
Предлагаемый механизм дискретного внесения органических удобрений возможно реализовать на основе существующих посадочных машин. Для этого необходимо изготовить дозирующее устройство и привод, обеспечивающий синхронность работы дозирующего и клубневысаживающего механизмов. Стоимость машины может изменяться в широких пределах, так как она может быть изготовлена на базе существующей клубнепосадочной машины различного ценового диапазона. При реализации дозирующего устройства на базе существующей клубневысаживающей машины работоспособность будет соблюдаться при условии: где Nкл./об. — количество клубней, высаживаемых за один оборот приводного вала клубневысаживающего механизма, ед.; Nп./об. — количество порций, уложенных дозирующим механизмом за один оборот приводного вала клубневысаживающего механизма, ед. Соблюдение данного условия позволит укладывать клубни непосредственно на укладываемые порции удобрения. По известным значениям конструктивных параметров клубневысаживающей машины определим Nкл./об. где dзв — диаметр приводной звездочки ложечноэлеваторного высаживающего аппарата, мм; lл — шаг расстановки высаживающих ложек на цепи ложечно-элеваторного высаживающего аппарата, мм. 

В формуле

  числитель представляет собой пройденный путь точки ложечного элеватора за один оборот его приводной звездочки. Отношение этого пути к шагу расстановки высаживающих ложек на цепи определит количество клубней, высаженных за один оборот приводного вала элеватора.

Учитывая, что обеспечение синхронности возможно при соблюдении условия , передаточное отношение привода дозирующего устройства определяется по формуле: где Nк.д.у. — количество камер в конструкции барабана дозирующего устройства, ед. Количество камер в конструкции барабана дозирующего устройства Nк.д.у. определяет число отмеренных порций удобрений за один оборот вала, а на каждый высаживаемый клубень должна быть подготовлена одна порция удобрения камерой дозирующего устройства. Полученное выражение показывает соотношение, которое является отношением скоростей вращения приводных валов клубневысаживающего и дозирующего механизмов и, следовательно, равно передаточному отношению, позволяющему определить геометрические параметры приводных звездочек и реализовать предлагаемую конструкцию машины с локальным дискретным целенаправленным внесением удобрений под каждый клубень на основе существующих клубневысаживающих машин.

Обоснование геометрических параметров дозирующего барабана
На основании рекомендаций и проведенных исследований принимаем объем порции вносимого сыпучего органического удобрения V Т П = 500 см3 . Придерживаясь условия равенства линейных размеров дозирующей камеры Д ≈ Ш ≈ В, определим ориентировочный размер стороны: 

Проверим размер В (высота камеры) по условию гравитационного заполнения (5), показывающему, что обеспечение загрузки камер дозирующего барабана в рабочем процессе возможно при условии, что время заполнения камеры tзап (время падения материала на дно камеры при заполнении гравитационным способом) будет меньше или равно времени нахождения дозировочной камеры в открытом состоянии tоткр:

Время заполнения камеры определим как время, за которое материал совершит свободное падение на дно камеры с высоты Н:

Время открытого состояния дозирующей камеры (рис. 5) определится в зависимости от скорости вращения дозирующего барабана и размеров загрузочного окна бункера, определяемых длиной дуги дозирующего барабана от точки  А до точки В.

где Sк.о. — перемещение дозирующей камеры в открытом состоянии, м; Vк — линейная скорость наружной точки дозирующей камеры, м/с.

Перемещение дозирующей камеры в открытом состоянии Sк.о. определяется как длина окружности в промежутке окна бункера:


где R — радиус дозирующего барабана, м; α — угол между отрезками, соединяющими габаритные точки (А и В на рис. 5) выгрузного окна бункера и центр вращения дозирующего барабана (О), град.

Параметры R и α задаются конструктивно и должны быть обоснованы теоретически. Радиус дозирующего барабана определяется с учетом условия (9) компенсирования рабочей скорости агрегата Vр для обеспечения дискретной укладки вносимого материала в местах выгрузки с образованием локальных областей с удобрением и предотвращения его распределения вдоль борозды под действием сил инерции.


где Vр — рабочая скорость агрегата, м/с; Vx — поступательная скорость порции удобрения после выгрузки из дозирующей камеры и до контакта с почвой, м/с; Vокр — окружная линейная скорость наружных точек дозировочного барабана, м/с.

При работе дозирующего устройства необходимо контролировать выгрузку сыпучего материала в виде дискретных локаций. Для обеспечения дискретной разгрузки дозирующих камер необходимо соблюдение условия (9), сущность которого (рис. 6) заключается в том, что для обеспечения наименьшего распределения единичной порции абсолютная поступательная скорость материала вдоль направления движения агрегата при разгрузке дозирующей камеры должна быть равна нулю за счет компенсации рабочей скорости относительной, направленной в противоположную сторону. Выражаем значение параметра R из определения линейной скорости точки дозирующего барабана, движущейся по окружности:

где w  — угловая скорость дозирующего барабана, рад/с; R — радиус барабана, м.

Здесь угловая скорость может быть определена из выражения:

где T — период вращения дозирующего барабана, с.

Принимаем период вращения дозирующего барабана T = 1 c. Тогда, подставив формулу (12) в выражение (11), получим:


При учете условия (9) принимаем в качестве Vокр рабочую скорость посадочного агрегата, исходя из агротехнически допустимого интервала скоростей. Для выполнения агротехнических требований при посадке рабочая скорость посадочного агрегата не должна превышать 5,5–6 км/ч. Приняв рабочую скорость Vр = Vокр = 5,5 км/ч (1,53 м/с), определим необходимый радиус дозирующего барабана:

Исходя из условия (6), перемещения поверхностей дозирующего барабана и поверхности почвы будут совпадать, поэтому расстояния между клубнями в ряду должны быть равны расстоянию между дозирующими камерами на поверхности барабана. В соответствии с рекомендациями принимаем расстояние между клубнями Lкл = 0,3 м, тогда размер диаметра дозирующего барабана определится с учетом количества дозирующих камер:

Принимаем количество камер Nкам = 4 шт. Уточняем теоретический радиус барабана:

В практической работе скорость посадки будет отличаться от теоретической, поэтому радиус барабана можно принять R = 0,25 м, при этом диаметр составит D = 0,5 м.


Представленный расчет содержит методику определения наиболее важных конструктивных параметров. Вспомогательные размеры определяются с учетом оптимального расположения узлов и стратегии конструирования. Представленная конструкция для реализации посадки клубней с одновременным внесением органики под клубни очень проста с конструктивной точки зрения и реализуема с любой клубнепосадочной машиной, достаточно лишь изготовить дозирующий механизм с бункером и синхронизировать его с валом привода ложечного элеватора. При всей простоте этого решения машина будет иметь достаточно увеличенные габаритные размеры, поэтому ее совершенствование должно решать задачу оптимальной компоновки рабочих органов, бункеров и механизмов привода для уменьшения габаритных размеров с целью повышения маневренности агрегата в поле и увеличения его эффективности при эксплуатации.

Однако эти задачи должны решаться для вновь создаваемых машин, чтобы реализовываться на заводе-изготовителе. На текущий момент подана заявка на патент для регистрации дозирующего устройства «механизм локального внесения сыпучих органических удобрений» (заявка № 2021113288/10 (028192) от 06.05.2021), по которой уже принято положительное решение.

Заключение
Предлагаемая технология дискретного внесения сыпучих органических удобрений одновременно с посадкой позволит увеличить эффективность внесения органических удобрений, уменьшить затраты на борьбу с сорняками и получить больший урожай, что положительно скажется на экономическом эффекте применения описанного способа.

Текст, иллюстрации: Александр Кравченко, 3 курс ФГБОУ ВО «Приморская государственная сельскохозяйственная академия» (Приморская ГСХА), Инженерно-технологический институт, направление: Агроинженерия Фото: архив Agroreport