МЕТОДОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ УБОРКИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР В УСЛОВИЯХ ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ (на примере

На правах рукописи

Леженкин Александр Николаевич

МЕТОДОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЭНЕРГО- И

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ УБОРКИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР В УСЛОВИЯХ ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ

(на примере УКРАИНЫ)

Специальность 05.20.01 – технологии и средства

механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва

2008

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» и Таврическом государственном агротехнологическом университете

Научный консультант – доктор технических наук, профессор

Еникеев Виль Гумерович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Шеповалов Вячеслав Дмитриевич

- доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Егоров Вадим Георгиевич

- доктор технических наук, профессор

Смелик Виктор Александрович

Ведущая организация – ГНУ «Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (ГНУ СЗНИИМЭСХ РАСХН)

Защита состоится 6 октября 2008 г. на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16а, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

Автореферат разослан «___» ______________ 200___ г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор       Левшин А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Механизация уборки зерновых культур вступила в тот этап, когда дальнейшее повышение пропускной способности комбайнов, стало экономически нецелесообразно, так как, в основном, приводило к росту энергозатрат, повышению массы комбайнов, а также увеличению их стоимости. На сегодняшний день сама идея комбайновой уборки должна быть пересмотрена по многим позициям (высокие транспортные затраты, ограниченные производительности обмолота, проблема уборки полеглых хлебов, невозможность уборки влажной массы и т.д.).

Особенно остро проблема уборки зерновых стоит перед фермерскими и крестьянскими хозяйствами, которые, как правило, не имеют собственной зерноуборочной техники. В то же время имеется выход из сложившейся ситуации. Серьезной альтернативой комбайновой уборке зерна являются стационарные технологии. В 80-е годы прошлого столетия были разработаны различные технологические схемы и изготовлены опытные образцы технических средств для бескомбайновой уборки зерновых. Однако, эти технологии не нашли широкого внедрения в производстве ввиду ряда существенных недостатков, главным из которых являются высокие энергозатраты.

Значительно снизить энергозатраты на уборку позволит использование метода очесывания растений на корню, с последующей доработкой вороха на стационаре.

При этом немаловажной задачей при использовании очеса является уборка незерновой части урожая.

До настоящего времени, несмотря на возросший интерес к разработке методов и средств повышения почвенного плодородия, за счет эффективного использования растительных остатков, отсутствует единая система методологического обоснования применения для этих целей соломы зерновых культур, которая является источником органического вещества в образовании и обогащении почвы гумусом.

В связи с изложенным, разработка научно-обоснованных методов уборки зерновых культур очесом на корню в условиях фермерских и крестьянских хозяйств, обеспечивающих снижение энергозатрат и повышающих плодородие почв за счет эффективного внесения соломы в почву, составляют актуальность научно-технических проблем, решение которых имеет большое научное и практическое значение.

Цель работы — исследовать и обосновать процедуры формирования стационарных технологий и технических средств для бескомбайновой уборки зерновых культур, обеспечивающих снижение энергозатрат и повышение плодородия почв.

Для реализации цели работы сформулированы задачи исследования:

- исследовать агробиологические и физико-механические свойства зерновых культур применительно к их очесу на корню;

- разработать и обосновать общую технологическую схему уборки зерновых культур методом их очеса на корню;

- разработать модели функционирования технологических процессов машин и агрегатов, обеспечивающих эффективную уборку и послеуборочную доработку зерновых культур;

- исследовать динамику движения по полю прицепного уборочного агрегата, с целью обоснования режимов его устойчивого движения;

- обосновать методологические приемы формирования способов применения очесанной соломы зерновых в качестве органических удобрений для повышения эффективности ее использования в экологическом земледелии;

- научно обосновать и выполнить процедуры учета энергозатрат комбайновой и стационарной технологий уборки.

Объектами исследований были выбраны технология и технологические процессы технических средств уборки зерновых культур.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- общая технологическая схема уборки зерновых культур методом их обмолота на корню с доработкой очесанного вороха на стационаре, базирующаяся на совокупности моделей функционально взаимосвязанных процессов;

- математические модели технологического процесса работы очесывающего устройства с учетом вероятностной природы его функционирования;

- математические модели движения по полю прицепного уборочного агрегата очесывающего типа, позволяющие аналитически обосновать диапазон рабочих скоростей обеспечивающих устойчивость агрегата;

- агробиологические основы процесса гумификации очесанной соломы зерновых культур.

Научную новизну работы составляют:

- методологические аспекты разработки стационарной технологии с использованием очеса растений на корню, обеспечивающей рациональные технико-эксплуатационные показатели работы отдельных машин;

- теоретическое обоснование и математические модели для разработки схемотехнических решений при создании полевых уборочных машин очесывающего типа и стационарных агрегатов доработки очесанного вороха;

- механико-математические основы исследования динамики уборочного агрегата для установления рациональных режимов его функционирования;

- математическая модель процесса гумификации соломы зерновых культур.

Практическую значимость работы представляют:

- технические решения, реализующие технологические процессы сбора, транспортирования, сепарации и приготовления кормовых брикетов из вороха зерновых культур;

- результаты полевых испытаний уборочных машины очесывающего типа;

- методики расчета технологических и энергетических показателей уборочной машины;

- методики расчета технологических параметров сепарирующих очесанный ворох устройств;

- численные значения физико-механических и агробиологических свойств зерновых культур в связи с их очесом на корню;

- результаты исследований процесса гумификации очесанной соломы зерновых.

Личный вклад автора заключается в формулировке проблемы, проведении теоретических и экспериментальных исследований, анализе полученных результатов:

- экспериментальные исследования самоходной уборочной машины – с сотрудниками ТГАТУ Цыбульниковым В.Н. и Масленниковым В. В.;

- экспериментальные исследования физико-механических свойств растений – с сотрудником ТГАТУ Григоренко С. М.;

- экспериментальные исследования прицепной уборочной машины выполнялись сотрудником ТГАТУ Григоренко С. М.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

- международной научн.-практ.конференции «Моделирование процессов и технологического оборудования в сельском хозяйстве» (Мелитополь, 1994 г.);

- международной научно-технической конференции «Землеробська механіка на рубежі сторіч» (Мелитополь, 2001 г.);

- международной конференции «Актуальные проблемы инженерного обеспечения АПК» (Ярославль, 2003 г.);

- международной конференции «Актуальные проблемы инженерного обеспечения АПК» (Ярославль, 2004 г.);

- международной научно-технической конференции «Перспективные технологии уборки зерновых культур, риса и семян трав» (Мелитополь, 2003 г.);

- научной конференции «Методы статистической динамики в сельскохозяйственном производстве» посвященной 80 годовщине со дня рождения А.Б.Лурье (Санк-Петербург, 1992 г.);

- научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов СПбГАУ (1990 – 2003 г.);

- научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов (ТГАТУ, Мелитополь, 2000 – 2004 г.);

-  VII международной научно-технической конференции «Современные проблемы земледельческой механики» посвященной 106 годовщине со дня рождения П. М. Василенко (Мелитополь 2006 г.);

- международной конференции посвященной 95-летию со дня рождения профессора А.Б.Лурье (Санк-Петербург-Пушкин-2008 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 37 опубликованных работах, в том числе в центральных научных журналах (Леженкин А.Н. Динамика очесывающего агрегата при уборке зерновых культур / А.Н. Леженкин // Механиз. и электриф. сел. хоз-ва.- 2004.-№12.- С.24-25; Леженкин А.Н. Моделирование полевой уборки зерновой части урожая (машиной для фермерских и крестьянских хозяйств) / А.Н. Леженкин// Механиз. и электриф. сел. хоз-ва.- 2005.-№5.- С.15-18; Леженкин А.Н. К обоснованию максимальной критической скорости движения прицепного зерноуборочного агрегата очесывающего типа// А.Н. Леженкин// Механиз. и электриф. сел. хоз-ва.- 2006.-№11.- С.29-32; Леженкин А.Н. Математические модели технологического процесса уборки зерновых культур/ А.Н. Леженкин// Вестник/ МГАУ им. В.П. Горячкина. Агроинженерия.- 2008.- Вып.1(26).- С.67-69; Леженкин А.Н. Определение сил и моментов сил упругости шин колес прицепа-тележки для сбора очесанного вороха/ А.Н. Леженкин// Вестник/ МГАУ им. В.П. Горячкина. Агроинженерия.- 2008.- Вып.1(26).- С.91-93; Леженкин А.Н. Результаты экспериментальных исследований горизонтальных колебаний прицепного уборочного агрегата/ А.Н. Леженкин// Механиз. и электриф. сел. хоз-ва.- 2008.-№1.- С.7-8.)

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи разделов, общих выводов и приложений. Работа изложена на 503 страницах машинописного текста (основного текста 393, приложения 110 страниц), содержит 131 рисунок и 28 таблиц. Список использованных источников включает 290 источников из них 10 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, раскрыты научная новизна и практическая ценность работы, а также основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе «Анализ состояния вопроса» представлен аналитический обзор опубликованных работ по теме диссертации, дается оценка современного состояния механизации уборочных работ, а также формулировка проблемы, ее содержание и пути ее решения.

Вопросам разработки технологий уборки зерновых культур посвящены исследования Антипина В.Г., Кленина Н.И., Жалнина Э.В., Авдеева А.В., Егорова В.Г., Канарева Ф.М., Шпокаса Л.И., Пенкина М.Г и др. В результате проведенных исследований были разработаны различные технологические схемы уборки зерновых культур.

Анализ литературных источников показал, что повысить эффективность технологического процесса уборки зерновых возможно за счет использования метода очесывания растений на корню. Значительный вклад в обоснование и разработку технических средств уборки зерновых культур методом очесывания на корню внесли Погорелый Л.В., Шабанов П.А., Данченко Н.Н., Аблогин Н.Н., Голубев И.К., Гончаров Б.И., Шокарев А.Н., Шкиндер В.Н., Цыбульников В.Н., Повиляй В.М.

По результатам обзора работ была сформулирована проблема уборки зерновых культур в условиях фермерских хозяйств. Для решения поставленной проблемы предложена структурная схема проведения исследований, представляющая собой цепь иерархически соподчиненных элементов, находящихся на различных уровнях и логически взаимосвязанных между собой.

Во втором разделе «Механико-технологические основы обоснования технологии уборки зерновых с использованием очеса растений на корню» исследованы агробиологические, физико-механические и механико-технологические свойства зерновых культур в связи с их очесом на корню, разработана математическая модель уборочного процесса, а также предложены модели функционирования отдельных звеньев уборочного комплекса с учетом вероятностной природы их работы.

При очесе растений на корню встает задача установления и оценки агробиологических и физико-механических свойств зерновых культур.

Одной из важных биологических особенностей зерновых культур, существенным образом влияющим на их уборку, является большая разница во влажности отдельных частей растений. Так, у колосовых культур в верхней части она составляет 13...25%, а в нижней - 21...48%; у метелочных культур (овес, просо) - в верхней части стебля влажность колеблется в пределах 20...45%, а в нижней - 60...67% (рис.2).

1 – пшеница «Альбатрос Одесский»; 2 – пшеница «Одесская-267»; 3 – пшеница «Виктория Одесская»; 4 – ячмень «Прерия»; 5 – ячмень «Сталкер»; 6 – тритикале «Зенит Одесский»; 7 – просо «Харьковское-31»; 8 – просо «Старт»; 9 – овес «Кубанский».

Рисунок 2 – Исследование влажности растений по высоте

Проведенные исследования влажности зерна в южной зоне Украины показали, что средние значения влажности колеблются в пределах 10,9...16,1% у колосовых и 14,8...18,4% у метелочных, при этом коэффициент вариации составляет 6,5...11,5%. Эта закономерность распределения влажности в растении является одним из основных преимуществ очеса растений на корню так как при этом сухое зерно не смешивается с влажной соломистой массой.

Для оценки прочностных характеристик зерновых культур были проведены исследования в полевых условиях.

Исследования показали, что средние значения усилий отрыва соцветий от стебля в два раза превышают средние значения усилий теребления из почвы, что является основополагающим фактором качественного протекания технологического процесса очеса растений на корню (рис.3).

1 – пшеница «Альбатрос Одесский»; 2 – пшеница «Никония»; 3 – пшеница «Одесская-267»; 4 – тритикале «Ураган»; 5 – тритикале озимое (зерновое); 6 – ячмень яровой «Сталкер»; 7 - ячмень «Прерия»; 8 – просо «Харьковское кормовое»; 9 – просо «Харьковское-31»; 10 – просо «Старт»; 11 – овес «Кубанский».

Рисунок 3 - Диаграмма средних значений усилий отрыва соцветий от стебля и теребления из почвы