УДК 621.43.001 Утенков Г.Л. , Добролюбов И.П. ФГБУ Сибирское отделение аграрной науки,

УДК 621.43.001
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ
НА ОСНОВЕ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ
ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ЕЕ СОСТОЯНИЯ
Утенков Г.Л. , Добролюбов И.П.
(ФГБУ Сибирское отделение аграрной науки,
ФГБОУ ВПО Новосибирский госагроуниверситет, Новосибирск)
E-mail:[email protected]
Зерновое
производство
является
преобладающим
в
растениеводческой отрасли сельскохозяйственного производства, как
России, так и в Сибири. Однако реализуемые технологии являются
энергоемкими и материалоемкими. В соответствии с принципом
Беллмана оптимальной считается траектория, если ее единичные
составляющие также оптимальны. В работе [1] отмечается, что при
возделывании зерновых культур до 40 % ресурсного потенциала
расходуется на технологический процесс обработки почвы, а ее доля,
например, в урожае пшеницы, для условий Урала и Сибири
приближается к 20 %. Причем свыше 50 % механизированных работ
выполняется с отклонениями от агротехнических требований.
Особенно это касается основной и дополнительной обработок почвы, в
процессе проведения которых данные отклонения достигают 200 %
[1]. По данным академика РАН В.П. Якушева, ежегодная деградация
почв в России достигает 450-500 тыс. га, что обусловлено
несовершенством
преобладающего
применения
классических
отвальных технологий.
Анализ тенденций развития производства продукции в России
показывает, что рост затрат энергетических и материальных ресурсов
опережает рост количества конечной продукции - роста урожайности.
Концепция
повышения
производительности
труда
в
агропромышленном комплексе, основанная на использовании
интенсивных машинных технологий с применением мощной
материалоемкой техники в современных условиях, показала свою
несостоятельность [2].
Современное состояние земледелия в своем стратегическом
развитии, как следует из работы [3], ориентировано на
энергоресурсосберегающие технологии, основанные на минимизации
обработок почвы, вплоть до нулевых, в том числе технологии No-Till.
Для условий Сибири, как следует из указанной работы, отказ от
обработки почвы приводит к снижению 20 - 25% общих затрат на
реализацию применяемой технологии. При этом отмечается, что
применение No-Till не всегда обеспечивает высокую урожайность,
однако важен экологический и экономический эффект. Считается, что
интенсификация сельского хозяйства является единственным путем
обеспечения населения планеты продовольствием. По мнению Л.В.
Погорелого, создание гибких технологических комплексов позволяет
повысить производительность труда в 2 и более раза.
Применение экологически ориентированных энергосберегающих
автоматизированных технологий почвообработки и посева зерновых
культур обеспечивает индивидуальную потребность различного типа
почв в комплексе воздействий, восстанавливающих их плодородие.
Повышению эффективности адаптивного почвообрабатывающего
агрегата (АПА), а значит и урожайности, способствует непрерывное
определение плотности почвы непосредственно при выполнении
технологических операций машинно-тракторным агрегатом. Из-за
пятен с резким изменением плотности почвы процесс изменения
тягового сопротивления становится случайным нестационарным. В
работах [4…7] проанализированы модели почв и обоснована
обобщенная модель, учитывающая разнообразие почв и их
статистических характеристик, разработаны и испытаны в
производственных условиях системы автоматического управления
состоянием АПА, проверены способы оперативного контроля
твердости (плотности) почвы. Показано, что необходимо учитывать
множество факторов, влияющих на плодородие почв, в том числе ее
влажность. Однако методы и технические средства, обеспечивающие
ее учет непосредственно в процессе выполнения технологических
операций недостаточно изучены и не имеют практического
применения. Устранению этого недостатка и посвящена данная
работа.
Известно, что потери урожая зависят от плотности (твердости)
почвы [ 8,9]:
Пу=knср ,
где ср – среднее значение плотности почвы.
Исследованиями установлено, что между влажностью и
плотностью (твердостью) почвы существует линейная зависимость – с
ростом влажности уменьшается твердость. Например, эмпирические
зависимости между твердостью у и влажностью х черноземной почвы
имеют вид [10]:
Фон - пар, зябь по горизонту 10...15 см: у=2,792-0,042х; v=0,472;
(1)
Фон - стерня по горизонту 10...15 см: у=5,137-0,099х; v=0,559,
где у - в МПа, х - в процентах; v – коэффициент вариации.
Аналогичные зависимости получены по глубинам 0...5 см и 5...10
см (с различными коэффициентами). Учет влажности при определении
твердости особенно эффективен при обработке почв комплексного
содержания (включая дерново-подзолистых, серно-лесных и др.), у
которых более сильная связь между влажностью и твердостью.
Возникает неоднозначность определения твердости сухой и
влажной почвы. Возможно сезонное или кратковременное повышение
влажности почвы. Поэтому может быть принято неверное решение о
воздействии на почву (включая внесение мелиорантов или удобрений),
полагая, что ее твердость не требует воздействия, хотя при снижении
влажности ее твердость возрастает и может превысить допустимые
пределы, в этом случае требуется воздействовать на почву для
изменения ее состояния.
Установлено, что тяговое сопротивление Ra АПА линейно связано с
твердостью (плотностью) почвы [11]:
Ra=Fк+abmTср,
(2)
где Fк – сила перекатывания, a и b – глубина вспашки и ширина
захвата, m - эмпирический коэффициент: m=0,014 при работе корпусов
рабочих органов без залипания; m=0,030…0,032 при залипании
корпусов рабочих органов почвой; Тср – средняя твердость почвы по
глубине пахоты.
В других случаях[12] также используют линейную связь между
удельным сопротивлением почвы и ее твердостью:
у = 5, 4843х – 2, 8153.
(2а)
Так как тяговое сопротивление оценивают на рабочих скоростных
режимах, близких к n=nном (п - частота вращения коленчатого вала), то
из уравнения баланса мощностей
Rа(Nep-Nex),
(3)
где  - коэффициент пропорциональности, постоянный для данного
тягового средства и определяемый при градуировке посредством
тягового динамометра; индексы р и х соответствуют рабочему (под
нагрузкой) и холостому проходам агрегата.
Используя тот или иной косвенный параметр ПN, отражающий
мощность двигателя можно определить тяговое сопротивление
почвообрабатывающего агрегата:
Rа(ПNр-ПNх).
(4)
Из уравнений (2) - (4) получим:
Тср=(/abm)(Nep-Nex)=ксв(ПNр-ПNх).
(5)
где ксв.- коэффициент связи: ксв=(/abm).
В качестве параметра ПN
величины:
могут быть применены следующие
ПN1 |   ||  к |  |  г |; ПN 2 |   тах |; ПN 3 |  34 |;
ПN 4  (  34 )тах ; ПN 5  (  2 )1 / 2 ; ПN 6  (  342 )1 / 2 ;
ПN7=pк; ПN8= Т; ПN9=рк вх; ПN10=рр;
П N11 | рк 34 |; П N12 | рк вх34 |; П N13 | р р 34 |; П N14 | Т 34 |;
П N15 | рк 34тах |; П N 16 | рк вх34тах |; П N17 | р р 34тах |;
П N18 |  Т 34тах |; П N19 |  ВМТ |; П N 20   ВМТ ; П N 21  I Г ; П N 22  U *Г ,
где |  к |, |  г |, |   |, |  34 |
- средневыпрямленные значения
составляющих углового ускорения коленчатого вала: компрессионная,
газовая, термодинамическая, кратных 3...4-й гармоникам частоты
вращения коленчатого вала; в ПN2... ПN6 применены максимальные и
средние квадратические значения |   |, |  34 | ; рк -давление наддува;
Т и Т - угловые скорость и ускорение ротора турбокомпрессора; рк вх
- давление воздуха перед компрессором; рр - разрежение воздуха на
входе в компрессор; в ПN11... ПN18
с индексом 34 –
средневыпрямленные, а с индексом 34тах – максимальные значения
составляющих рк, рк вх , рр , Т , кратных 3...4-й гармоникам частоты
вращения коленчатого вала; в ПN19... ПN20 применено смещение
суммарного ускорения коленчатого вала относительно мгновенного
значения ускорения коленчатого вала при нахождении поршня в ВМТ
(нулевой линии) вмт, которое одновременно приводит к появлению
сдвига вмт по углу поворота коленчатого вала или интервала
времени, соответствующего этому углу между ВМТ и моментом
перехода мгновенного значения ускорения через ноль; в ПN21... ПN22
использованы значения Iг=Iнг или Iг=Id; U*г=Uг или U*г=Ud (Iнг и Uг ток нагрузки и напряжение генераторов постоянного тока с
параллельным и с независимым возбуждением; Id и Ud
выпрямленные ток нагрузки и напряжение вентильного генератора с
независимым возбуждением).
Установлено, что между влажностью почвы и тепловым
излучением (потоком) почвы в окружающее пространство существует
линейная зависимость. Например, в динамическом режиме при
выпаривании влаги из почвы
mc(dE/dt)=Gв=kTQт ,
(6)
где mc – масса абсолютно сухой почвы; Е – жидкостный коэффициент
почвы; Gв – поток испаряемой влаги; Qт - тепловой поток; kT –
коэффициент пропорциональности.
В статическом режиме тепловой поток Qт связан с испаряемой
влагой эмпирической зависимостью
Qт=(597+0,45Tв)Gв ,
(7)
где Tв – температура испаряемой влаги; Gв – поток испаряемой влаги,
кг/ч.
Следовательно, по измеренному тепловому излучению почвы
можно оценить ее влажность и определить твердость почвы с учетом
ее влажности. Для измерения теплового излучения почвы можно
использовать пироэлектрические инфракрасные датчики, которые
преобразуют энергию поглощенного теплового излучения в
электрический сигнал (например, японские датчики фирмы IRA IRAE410 QW1 с углом обзора 17о или IRA-E710 ST1 с углом обзора 45о).
В зависимости от ширины захвата рабочих органов почвообработки
устанавливается
линейка
из
нескольких
пироэлектрических
инфракрасных датчиков для обеспечения требуемого угла обзора.
Предварительно для конкретного типа АПА измеряют с помощью
тахометра частоту вращения коленчатого вала двигателя внутреннего
сгорания и устанавливают рабочую передачу. При холостом проходе
АПА устанавливают поочередно и измеряют параметры ПNх,
отражающие мощность двигателя и затем на той же передаче при той
же частоте вращения коленчатого вала аналогично устанавливают и
измеряют поочередно параметры ПNр, отражающие мощность
двигателя, при рабочем проходе АПА. Одновременно с помощью
тягового динамометра измеряют тяговое сопротивление. Определяют
согласно (4) коэффициенты пропорциональности  между тяговым
сопротивлением и разницей параметров ПNр-ПNх. По результатам ряда
измерений определяют среднее значение коэффициентов . Затем при
контрольном проходе данного агрегата на конкретном поле
определяют степень залипания рабочих органов т (2) . С помощью
задатчика коэффициента связи вводят в определитель твердости
почвы поочередно соответствующие значения коэффициента связи ксв
(5). С помощью задатчика коэффициентов влажности и твердости
почвы вводят вручную в определитель влажности почвы заранее
известные коэффициенты, согласно (6) и (7) с учетом температуры
почвы, а в определитель твердости почвы с учетом влажности согласно зависимостям (1) и им подобных. Проводят основную
обработку почвы на рабочей передаче. С помощью датчика частоты
вращения коленчатого вала и тахометра контролируют частоту
вращения, которая должна равняться той, при которой определены
коэффициенты  и ксв.
Непрерывный оперативный контроль состояния почвы в процессе
ее обработки позволяет повысить универсальность, значительно
увеличить точность и достоверность определения твердости слоя
почвы с учетом ее влажности, устранить неоднозначность в
определении твердости почвы и обеспечить качественную обработку
почвы почвообрабатывающими агрегатами, находящимися в
эксплуатации, моторно-транспортное средство которых содержит
двигатель внутреннего сгорания. Ориентировочно, в сравнении с
известным решением[13], погрешность определения твердости почв
уменьшается на 10...20%.
Литература
1. Свечников П.Г. Модернизация почвообрабатывающих рабочих
органов на основе исследования процесса их взаимодействия с почвой/
П.Г. Свечников // Автореф. дис. д-ра техн. наук.- Челябинск.- 2013 .43 с.
2. Цугленок Н.В. Оценка влияния оптимальных показателей
работы машинно – тракторных агрегатов на энергозатраты
технологического процесса Н.В. Цугленок, С.Ю. Журавлев // Вестник
КрасГАУ.- 2010-№10.- С. 146 - 152.
3. Власенко А.Н. Возможности экологизации технологий в
земледелии Сибири/ А.Н. Власенко, Н.Г. Власенко// Достижения науки
и техники АПК. - 2015.- Т29. - №9.- С.21 – 24.
4. Утенков Г.Л. Автоматизированные технологические комплексы
почвообработки.
/
Г.Л.
Утенков,
И.П.
Добролюбов
Россельхозакадемия. Сиб. отд-ние. СибИМЭ.- Новосибирск, 2006. –
380с.
5. Патент RU 2298778 С1, МПК G01N3/42, G01N33/24.Устройство
для непрерывного определения твердости почвы: / И.П. Добролюбов,
Г.Л. Утенков, М.Г. Утенкова - заявка № 2005119041/15 , заявл.
20.06.2005; опубл. 10.05.2007. Бюл.№13.
6. Добролюбов И.П. Оптимизация характеристик САУР пахотного
агрегата / И.П. Добролюбов, Г.Л. Утенков // Тракторы и
сельхозмашины.- 2000, № 4, с.37-39.
7. Добролюбов И.П., Утенков Г.Л. Экологические и
энергосберегающие адаптивные агрегаты почвообработки и посева
зерновых культур // Экологические аспекты технологий производства
продукции растениеводства. / Междунар. агроэкологический форум
21-23 мая 2013 г. г. С.–Петербург. Т. 2. Россельхозакадемия, Северо-
западный НИИ механизации и электрификации сельского х-ва. - С.–
Петербург. 2013 – С. 31-36.
8. Лобочевский Я.П., Колчина Л.М. Современное состояние и
тенденции развития почвообрабатывающих машин. - М.: ФГНУ
«Росинформагротех».- 2005. – 116 с.
9. Кушнарев А.С. Методологические основы селекции параметров
зональных рабочих органов почвообрабатывающих орудий/ А.С.
Кушнарев // Техника в сельском хозяйстве.- 1991.-№3. -. С. 12 – 14.
10. Утенков Г.Л. Проблемы технического оснащения
ресурсосберегающих машинных технологий возделывания зерновых
культур в Сибири // Актуальные вопросы научного обеспечения
производства с – х. продукции в Сибири /Материалы междунар. научн.
– практ. конф./ Рос. акад. с – х. наук. ГНУ Сиб. науч.- исслед. ин – т
механизации
сельского
хозяйства
Россельхозакадемии.
–
Новосибирск.- 2011. – С. 207 – 2014.
11. Огрызков Е.П. Оценка сопротивления почв по их твердости/
В.Е.Огрызков, В.П.Огрызков // Тракторы и сельхозмашины. – 2004. –
№ 3.
12. Скорляков В.И. Исходные условия и показатели качества
глубокой обработки почвы в сельхозпредприятиях Краснодарского
края/ В.И. Скорляков, Т.А.Юрина, О.Н.Негреба//Техника и
оборудование для села. – 2014. - № 9. – С. 10 -13.
13. Патент RU 2535102 С1, МПК G01N33/24.Устройство для
непрерывного определения твердости почвы / И.П. Добролюбов, Г.Л.
Утенков - заявка № 2013145771/15 , заявл. 11.10.2013; опубл.
10.12.2014. Бюл.№34.
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ
НА
ОСНОВЕ
ПОВЫШЕНИЯ
ТОЧНОСТИ
ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ЕЕ СОСТОЯНИЯ
Утенков Г.Л., Добролюбов И.П.,
(ФГБУ Сибирское отделение аграрной науки,
ФГБОУ ВПО Новосибирский госагроуниверситет,
Новосибирск)
Исследован непрерывный оперативный контроль состояния
твердости (плотности) почвы с учетом ее влажности в процессе
обработки почвы. При определении влажности почвы используется ее
зависимость с тепловым излучением
почвы в окружающее
пространство,
которое
измеряется
пироэлектрическими
инфракрасными датчиками.
Ключевые слова: почва, твердость (плотность), влажность,
почвообрабатывающий
агрегат,
оперативный
контроль,
инфракрасные датчики
INCREASE OF ACCURACY OF THE OPERATIVE CONTROL OF
THE CONDITION OF GROUND DURING ITS{HER} PROCESSING
Dobroljubov I.P., G.L.Utenkov
Novosibirsk State AgrarionUniversity,
Presidium of Siberian branch Rosselhozakademii,
Novosibirsk
The continuous operative control of a condition of hardness (density) of
ground over its humidity over processing ground is investigated. At
definition of humidity of ground its dependence with thermal radiation of
ground in surrounding space which is measured by infra-red gauges is used.
Key words: ground, hardness (density), humidity, the soil-cultivating
unit, the operative control, infra-red gauges