автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технологии и средства механизации производства машинопригодной рассады овощных культур

Научно-исследовательский институт сельскохозяйственного машиностроения им. В. П. Горянкина - ОАО «ВИСХОМ»

Джашеев Абдул-Мудалиф Сагитович

Технологии и средства механизации производства машинопригодной рассады овощных культур

Специальность

05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2004

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ

Доктор технических наук, профессор Колчин Николай Николаевич Доктор технических наук Шпилько Анатолий Васильевич Заслуженный работник сельского хозяйства РФ

Доктор технических наук, профессор Верещагин Николай Иванович

Ведущая организация - Государственный Испытательный Центр (ГИЦ)

МСХ РФ

Защита состоится «20» октября 2004 г. в 10 часов утра на заседании диссертационного совета Д 217.046.01 в Научно-исследовательском институте сельскохозяйственного машиностроения им. В. П. Горячкина - ОАО «ВИС-ХОМ» по адресу: 127247, г. Москва, Дмитровское шоссе, 107.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВИСХОМ». ^

Диссертация в виде научного доклада разослана «./т» 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

/ Г. П. Варламов

^/33

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач защищенного грунта является обеспечение овощеводства открытого грунта рассадой, выращенной в теплицах. Рассадой возделывают более 60% посевных площадей овощных культур в открытом грунте. Из них 90% площадей возделывают безгоршечной рассадой. Для этих целей ежегодно выращивают в пленочных теплицах около 18 млрд. шт. рассады капусты белокочанной, томатов, перца, баклажан и др. овощных культур.

Вместе с тем, рассадный способ возделывания овощных культур безгоршечной рассадой в открытом грунте сопряжен с большими затратами труда и денежных средств.

Механизация технологического процесса предусматривает, чтобы объект механизации имел технологическую базу с устойчивыми показателями маши-нопригодности. Безгоршечная рассада овощных культур, выращиваемая по существующим технологиям, к моменту ее уборки и пересадки в открытый груш имеет, как известно, большую дисперсию по биологическим, технологическим и физико-механическим свойствам. Технологическая база в такой рассаде практически отсутствует и по этой причине она не отвечает требованиям механизации, то есть, не является машинопригодной.

Для комплексной механизации и автоматизации рассадного способа возделывания овощных культур необходимо разработать новые энергосберегающие технологии выращивания рассады в теплицах, последовательно формирующие ее машинопригодные свойства на всех стадиях ее развития, а также создать экологически чистые средства механизации. Для этого необходимо провести теоретические и экспериментальные исследования в области повышения посевных качеств семян и формирования у них свойств машинопригод-ности, исследования процесса подготовки почвы в теплицах с точной планировкой и уничтожением сорной растительности, исследование процесса точного высева семян по одному с заданным шагом и на одинаковую глубину, обеспечивающего эксергию прорастания семян, повышение дружности их всходов и уменьшение дивергенции ростков, исследование процесса ухода за рассадой, обеспечивающего машинопригодные ее свойства и максимальный выход со стандартными показателями, удовлетворяющими требованиям ее механизированной уборки и посадки в открытый грунт.

Разработка технологии и технических средств выращивания безгоршечной рассады овощных культур с машинопригодными свойствами является актуальной научной, технической и биотехнологической проблемой современного овощеводства открытого грунта, имеет важное народно-хозяйственное значение.

Цель работы - разработка и внедрение в пленочных теплицах технологий и технических средств механизации производства машинопригодной рассады овощных культур для открытого грунта.

Объектами исследования являются технологии выращивания в пленочных теплицах безгоршечной рассады овощных культур, семена рассадных овощных культур, тепличный грунт, безгоршечная рассада, оборудование для комплексной обработки семян, сеялки для точного односеменного высева, рабочие органы для ухода за посевами и рассадой.

Предметом исследования являются биотехпологические системы (семена, внешняя среда, средства механизации, технологические режимы) комплексной обработки семян рассадных овощных культур, посева семян и ухода в фазе их проращивания, ухода в фазе вегетативного развития рассады; организационные формы производства и посадки машинопригодной рассады овощных культур в условиях рыночных экономических отношений.

Методика исследований. Теоретические исследования взаимодействия рабочих органов машин и оборудования с рабочей средой базируются на методах классической механики и математического анализа. Исследования технологических процессов производства и посадки рассады, выбор перспективных направлений их развития проводились графоаналитическим методом, в частности, методом построения квазиупорядоченных графов. Разработка научной гипотезы о взаимодействии семян с внешней средой в фазе их проращивания основывалась на законе С.А. Аррениуса о скорости протекания диффузионных массообменных, термодинамических и химических процессов в системах с клеточной сфуктурой. Гипотеза о влиянии фитотреннинга рассады на ее биологические, технологические и физико-механические свойства основывалась на учении о физиологии растений. Научная концепция последовательного формирования машинопригодных свойств рассады разработана на основании единой генетической программы, объединяющей все стадии развития растения и реагирующей на изменения факторов внешней среды. Исследования биотехнологических систем проводились по методике оптимизации многофакторных технологических процессов, нахождения эмпирических вектор-функций отклика (уравнений регрессии), их исследования методом визуализации трехмерных сечений векторного пространства отклика по программе МАТЬ А В 6,5,

Экспериментальные исследования проводились по стандартным методикам испытаний сельскохозяйственных машин и оборудования для защищенного грунта, а также по частным методикам при исследовании новых технологических процессов, например, ступенчатой заделки семян почвой, тепловой обработки почвы и посевов, фитотреннинга рассады.

Хозяйственные испытания проводились в различных почвенно-климатических условиях, что обеспечило их результатам высокую достоверность и объективность.

Научную новизну работы составляют: концепция последовательного формирования машинопригодных свойств рассады и ее биотехнологические системы; вектор-функции отклика биотехнологических систем, отражающие влияние технологических режимов предпосевной обработки семян на их посевные качества, влияние параметров высевающего аппарата, глубины вакуума в пневмосистеме сеялки, глубины заделки семян, плотности почвы над семенами, экспозиции тепловой обработки посевов на равномерность расположения

всходов, их дивергенцию и динамику прорастания, влияние режимов фитот-реннинга рассады на выровненность ее по высоте и но физико-механическим свойствам к моменту уборки и пересадки в открытый грунт; дифференциальные уравнения динамики движения семян в роторных шлифовальных органах, в высевающем аппарате сеялки точного высева; дифференциальные уравнения динамики движения бороэдообразующего и бороздозаделывающего катков сеялки точного высева; новая аналитическая зависимость коэффициента формы семян овощных культур, отражающая синергетику их биологической сгрукту-ры; преобразование уравнения С.А. Аррениуса, описывающее скорость протекания диффузионных массообменных, термодинамических и химических процессов в клеточных структурах на уровне эксергии, в уравнение действия факторов роста в фазе прорастания семян, отражающее динамику появления всходов семян в зависимости от их стартового биоэнергетического ресурса и степени оптимизации факторов роста; новое аналитическое определение коэффициента поглощения энергии удара семенем, раскрывающего физику повышения энергии прорастания семян методами барботирования, тепловой обработки, лазерного облучения; новое аналитическое определение коэффициента задержки роста стебля рассады в высоту в зависимости от интенсивности ее фитотрен-нинга.

Практическая ценность работы заюночаегся в создании и внедрении энергосберегающих и экологически чистых технологий и технических средств выращивания машинопригодной рассады для открытого грунта: для повышения посевных качеств исходных семян овощных культур (четыре наименования оборудований и два мини-цеха на их основе), для точного высева семян в теплицах (семейство сеялок точного высева семи наименований), для тепловой обработки почвы и посевов (семейство огневых культиваторов четырех наименований), для ухода за рассадой (фитотренажер и обрезчик корней в междуря-диях), а также экологически чистое тепличное мостовое электрошасси для агрегатирования с перечисленными выше машинами.

Новизна технических решений при создании указанных выше технологий и технических средств подтверждена шестью авт. свид. на изобретения новых способов и устройств.

Реализация результатов исследований. По результатам научных исследований, при участии автора совместно с рядом КБ и НИИ, разработаны и поставлены на производство:

- установки для обработки семян перед посевом (четыре наименования) -изготовлено 72 шт;

- Мини-цех для комплексной обработки семян перед посевом - построено 2 мини-цеха;

- семейство сеялок точного высева (семь наименований) - изготовлено 510 шт;

- огневые культиваторы четырех модификаций для тепловой обработки посевов - изготовлено 146 шт.

Разработаны и испытаны опытные образцы мостового электрошасси, фи-тотренажера и обрезчика корней в междурядиях.

Внедрение в производство рекомендаций соискателя позволило резко поднять качество высеваемых семян с увеличением их всхожести до 98-99%, уменьшить на 20% норму расхода семян, снизить затраты труда по уходу за культурными растениями более чем в 2 раза, а на операции выборки рассады -в 22 раза, получить рассаду, пригодную для механизированной уборки автома-1изированной посадки в открытый грунт.

Апробация работы. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены Ученым советом ОАО «ВИСХОМ» (1999, 2002 и 2004 п.), Карачаево-Черкесским НИИ сельского хозяйства (2001, 2002 и 2003 гг.), на заседании кафедры растениеводства ТСХА (2001 г.), в Г'СКБ по машинам для защищенного грунта (Ленинград, 1999 I.), в Ставропольском СХИ (2000, 2001, 2003 гг.), в тепличных хозяйс1вах Ставропольского края и Карачаево-Черкессии (1998, 2000, 2003 гг.), в «Ставропольагропромпроекте» (2000, 2001 гг.), в Ставропольском АПК (2003 г.), в АПК республик Молдавия (2001 г.), Северная Осетия (2000 г.), в Карачаево-Черкессом ИИИСХ (2004 г.), в НПО «Селекционная техника» (г. Симферополь, 2000 г.), Украинском НИИМЭСХ (нос. Гле-ваха Киевской обл., 1999 г.) в Астраханском институте «Сельхозпроект» (1999 г.), в ОПХ УкрПИИОБ (пос. Мерефа Харьковской области, 1983 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 печатная работа, в том числе две монографии (16,0 п. л. в 2003 г. и 12 п. л. в 2004 г.), 6 авт. свид. па изобретения новых способов и устройств. Общий объем публикаций составил более 36 печ. л., из них лично автора более 32 печ. л.

На защиту выносятся:

1. Научная концепция формирования оптимальных параметров машино-иригодной рассады.

2. Технологии и биотехнологические системы (БТС) и технические сред-схва для их осуществления, обеспечивающие формирование матиинопригодных свойств безгоршечной рассады предпосевной обработкой семян, точным высевом семян, уходом за посевами в фазе прорастания семян и фазе вегетативного развития рассады.

3. Результаты теоретических исследований рабочих органов по подготовке семян к посеву и по точному высеву семян в теплице.

4. Результаты экспериментальных исследований, полевых и государственных испытаний комплекса машин для производства в теплицах машинопри-годной рассады для открытого грунта.

5. Экономическое обоснование рассадно-овощного комплекса, обеспечи-вающе! о рассадой овощеводство открытого грунта на площади 300 га.

Содержание работы 1. Анализ состояния проблемы и задачи исследования

Проблема комплексной механизации рассадного способа возделывания сельскохозяйственных культур длительное время стоит в ряду важнейших по-

исковых и научно-исследовательских работ в научно-исследовательских институтах и проектно-конструкторских организациях нашей страны и во всем мире. К настоящему времени опубликован огромный научный, патентный и опытно-копструкторский материал по этой проблеме. Изучение публикаций показывает, что в решении этой проблемы прослеживается два встречных направления: со стороны селекционеров - создание новых машинонригодных сортов овощных культур, адаптированных к традиционным средствам механизации, а со стороны механизаторов - создание новых средств механизации, адашируемых к традиционной агротехнике возделывания овощных культур. На стыке этих направлений и на основе огромного научного и практического вклада ученых В. II. Горячкина, В. Л. Желиговского, JI. Г. Прищепа, В.И. Александрова, B.C. Басина, В. В. Брея, К. А. Ерижева, C.B. Кардашевско! о, H.H. Колчина, С.А. Ma, P.C. Муфтеева, Р. Дж. Нурметова, Г.А. Микаеляна, Ю.Н. Липова, И.М. Панова, JI.B. Погорелова, В.Ф. Семенова, и многих других ученых, инженеров и изобретателей созданы современные технологии и системы машин для возделывания овощных кулмур рассадным способом. Полно-С1ью механизированы такие трудоемкие процессы выращивания безгоршечной рассады как обработка почвы в теплицах, посев семян, уход за рассадой, частично механизирована посадка безгоршечной рассады в открытый грунт. Остались не механизированными трудоемкие процессы уборки рассады и подготовки ее к автоматизированной посадке. Решению этой проблемы посвящены работы А.И. Зайкова, В.Ф. Семенова, Ю.Ф. Скидана, B.C. Нестяка, Р. Дж. Нурметова, A.C. Разалиева, A.A. Черняка, М.И. Чубарина, Б.А. Шульженко. Основная трудность механизации уборки и посадки рассады, по их мнению, кроется в отсутствии у рассады, как объекта механизации, tcxhojioi ической базы с устойчивыми показателями машинопригодности.

Анализ научно-технической литературы по изучаемой проблеме, а также результаты собственных исследований и опытно-конструкторских работ на протяжении последних 20-и лет, позволили сформулировать цель диссертационной работы: разработка и внедрение экологически чистых, энергосберегающих технологий и средств механизации производства машиноттригодной рассады овощных культур, обеспечивающих комплексную механизацию рассадного способа возделывания овощных культур путем последовательного формирования технологической базы рассады к моменту ее уборки и посадки.

Достижение цели предусматривает постановку следующих задач исследований:

1. Разработка научной концепции и биотехнологической системы последовательного формирования технологической базы безгоршечной рассады овощных культур с устойчивыми показателями машинопригодности.

2. Исследование биотехнологической системы повышения посевных качеств исходных семян овощных культур и формирования у них технологической базы для механизации точного и односеменного высева.

3. Исследование биотехнологической системы высева семян и ухода за посевами в фазе их проращивания, обеспечивающих формирование технологи-

ческой базы рассады с устойчивыми показателями по точности распределения вдоль и поперек рядка, глубине заделки и динамике прорастания.

4. Исследование биотехнологической системы ухода за рассадой в период ее вегетативного развития, обеспечивающего формирование технологической базы рассады с устойчивыми показателями предельных значений высоты стеблей к моменту ее уборки и ее коэффициента вариации.

5. Исследование динамики движения семян в роторных шлифовальных органах установок для предпосевной обработки исходных семян овощных культур, определение их конструктивных параметров и режимов работы.

6. Исследование динамики движения семян в высевающем аппарате сеялки точного высева, определение его конструктивных параметров и режимов работы, обеспечивающих точность высева семян по одному семени.

7. Исследование динамики движения бороздообразутощих и бороздоза-делывающих катков сеялки точного высева, определение конструктивных параметров и скорости движения сеялки.

8. Проведение экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях, разработка и изготовление опытных образцов и представление их на государственные приемочные испытания, участие в приемочных испытаниях машин и оборудования для производства машинопригодной рассады для открытого грунта.

9. Экономическое обоснование размещения и технической мощности рассадно-овощного комплекса, обеспечивающего рассадой овощеводство открытого грунта на площади 300 га.

2. Концепция формирования оптимальных параметров машинопригодной рассады для открытого грунта

В данном разделе освещен рассадный способ возделывания овощных кульгур и его технологические системы, дана характеристика машинонригод-ности объектов механизации в технологической системе, предложена научная гипотеза о факторах, обеспечивающих формирование оптимальных параметров машинопригодной рассады, предложен закон действия факторов роста и био-техноло1 ичсская система реализации генетической программы семян в фазе их прорастания.

Основными рассадными культурами в овощеводстве большинства регионов России являются белокочанная капуста, томаты, перец и баклажаны.

Рассадный способ возделывания овощных культур является эффективным агротехническим приемом обеспечения оптимальных условий роста и развития растений, особенно в фазе их прорастания и в начальный период их вегетативного развития.

Посадка рассады в возрасте 30-45 дней в открытый грунт, в сравнении с бсзрассадпым методом, сокращает на целый месяц созревание урожая. Поэтому рассадным способом в России возделывают 60% площадей под овощными

культурами. Ежегодная потребность в рассаде достигает 18 млрд. шт, из них более 90% приходится на долю безгоршечной рассады.

Современная агротехника выращивания безгоршечной рассады в пленочных теплицах обеспечивает выход не более 60% стандаршой рассады с единицы вегетативной площади. Затраты труда на посадку и выращивание составляют 40-50% от общей трудоемкости производства и уборки рассады.

Рассадный способ возделывания овощных культур и его технологические системы подробно описаны в нашей работе [25] в виде квазиупорядочного графа, в котором сравниваются существующая и перспективная технологические системы с показом всех способов и технических средств для их осуществления, а также приведены экономические показатели вершин квазиупорядочного графа для объема работ в теплице площадью 1 га (2,5 млн. шт. рассады) и в поле площадью 50 га (посадка рассады по схеме 66x33 см) с плечом транспортировки в среднем 5 км.

Подсчеты показали, что прогнозируемая перспективная технологическая система позволяет снизить трудоемкость процесса в 3,86 раза, а прямые издержки более чем в 2 раза.

Машинопригодность объектов механизации в технологической системе предъявляет определенные требования к средствам механизации, которые, в свою очередь, предъявляют требования к объектам механизации.

В рассадном способе возделывания овощных культур объектами механизации являются семена, тепличный грунт с его микрорельефом и корнеобитае-мым слоем, подготовленные к посеву семена и семенной слой почвы, всходы семян, рассада в стадии роста, рассада стандартная, подготовленная к посадке рассада в накопителях (ящики, кассеты) и корнеобитаемый слой почвы в открытом фунте.

В каждом объекте механизации необходимо определить технологическую базу с наиболее устойчивыми параметрами и физико-механическими свойствами, т. е. необходимо определить показатели машинопригодности объекта механизации и разработать соответствующие требования к средствам механизации, находя при этом разумный компромисс между растениями и машиной.

Первым и необходимым условием комплексной механизации выращивания, уборки и посадки рассады является строгое соблюдение технологической взаимосвязи между последовательными операциями техноло! ического процесса, при которой каждая предыдущая операция создаег технологическую базу для механизированного выполнения последующей.

Отсюда вытекает второе необходимое условие комплексной механизации - каждый объект механизации должен иметь свою технологическую базу.

Наличие у объекта механизации своей технологической базы делает его машинопригодным, ибо у него имеется опорная поверхность для контакта с рабочими органами машины, а у машины - ориентир для координации положения своих рабочих органов относительно объекта механизации.

Если несколько последовательных техноло! ичсских операций выполняются одновременно (совмещение операций), то объекты механизации не со-

вмещаются, а рассматриваются как сложный объект с несколькими технологическими базами.

Третье, необходимое и достаточное, условие комплексной механизации -технологическая база объекта механизации должна иметь постоянные (в пределах заданных допусков) параметры.

В технологическом процессе возделывания рассады объек1 механизации видоизменяется во времени: вначале это один объект - «семена», затем сложные объекш - «семена и почва» и «грядка с рассадой».

При этом объекты механизации имеют свою генетическую основу и общий биоэнергетический ресурс, что дает возможность целенаправленно формировать их биологические, технологические и физико-механические свойства и показатели технологической базы, удовлетворяющие требованиям машино-пригодности.

Для целенаправленного формирования свойств семян, почвы и рассады необходимо определять показатели их машинопригодности.

Научная гипотеза о факторах, обеспечивающих формирование оптимальных параметров машинопригодности рассады базируется на нескольких основополагающих требованиях, предъявляемых к объемам на всех стадиях получения высококачественной рассады, начиная с предпосевной обработки семян.

Предпосевной обработкой семян достигают выравненность формы и размеров семян, что обеспечивает надежную работу сеялки точного высева. Постоянство глубины заделки семян обеспечивается копированием микрорельефа почвы бороздообразующими и бороздозакрывающими рабочими органами сеялки. Постоянство параметров технологической базы рассады обеспечивают отбором семян с выровненным биоэнергетическим ресурсом (по удельному весу) и всхожестью не менее 98-99%, точным высевом семян на одинаковую глубину с заделкой их рыхлым слоем почвы, тепловой обработкой посевов огневым культиватором с прогреванием семенного слоя до 40°С для стимуляции процесса прорастания семян и уничтожения вредителей и сорняков.

В процессе ухода за ростом рассады, кроме поддержания оптимальных параметров микроклимата в теплице, необходимо поддерживать фитоклимат в фядках с рассадой, для чего проветривают застоявшийся в стеблслистовой массе рассады воздух, обогащая его днем углекислым газом и проводя систематически фитотреннинг стеблям рассады. Такие мероприятия обеспечивают выравненность размеров рассады и ее физико-механических свойств, исключая перерастание рассады по высоте в случае задержек высадки ее в открытый грунт по погодным условиям.

Всхожесть семян находится в прямой зависимости от их размеров и удельного веса: крупные семена обладают максимальной всхожестью. Оранжерейная всхожесть семян и энергия прорастания определяют в целом динамику их прорастания, которая зависит от внешних и внутренних факторов роста: внешних - температуры окружающей среды, ее влажности, концентрации в ней кислорода воздуха; внутренних - стартового биоэнергетического потенциала семян и его состояния - находится в стадии покоя или пробуждения.

В работе [25] приведена гипотетическая кривая динамики прорастания семян в теплице, в которой показана доля в процентах появления всходов за сутки, время прорастания семян до появления всходов 95% высеянных семян и время от начала посева до появления массовых всходов.

На основе изучения литературных источников и личного опыта автора по выращиванию рассады различных овощных культур можно сформулировать научную гипотезу о целенаправленном формировании технологических свойств машинопригодной рассады:

- в зрелых семенах накоплены биоэнергетические ресурсы, достаточные для самостоятельного формирования корневой системы и стеблелистового аппарата (всходов), способных в вегетативный период взаимодействовать с внешней средой;

- активизация биоэнергетических ресурсов семян происходит при опш-мальном сочетании внешних факторов, в т. ч. тепловой энергии, влажности и определенной концентрации кислорода в воздухе, которые расходуются на эк-сэргическом уровне на размножение корневых и стеблслистовых клеток мери-системы зародыша и в незначительном количестве - на процесс дыхания;

- количество накопленных в семенах биоэнергетических ресурсов прямо-пропорционально их массе и к началу вегетативного периода ресурсы семян полностью расходуются;

- скорость прорастания семян (динамика появления всходов) за счег собственных биоэнергетических ресурсов зависит от глубины их заделки в почву и от сопротивления почвы прорастанию ростков;

- повысить динамику прорастания семян можно путем снижения сопротивления верхних слоев почвы выносу семядолей, точным высевом семян на влажное уплотненное ложе одинаковой глубины, закрытием бороздок мелкокомковатой почвой (от 1 до 5 мм) минимальной плотности и максимальной воздухоемкости (не менее 80%).

Закон действия факторов роста в фазе прорастания семян

Биотехнологическая система (БТС) являе!ся одной из широко распространенных в природе гетерогенных, иерархически многоуровневых термодинамических и биотсхнологических систем, состоящих из обособленной клеточной структуры семян и аморфной многокомпонентной окружающей среды (почва, воздух, влага, тепло, свет). Для подобных БТС характерны процессы накопления вещества и истощения первоначальных биоэнергетических ресурсов на уровне эксергии.

Математическая модель подобной БТС разработана нами на основе уравнений академика В.П. Горячкина, академика С. А. Аррениуса (АггЬепа^) и профессора Е. Мичерлиха (МкзМгНсК), аналитическое выражение которой имеет вид:

У=А,е~ст\ (2.1)

где К- показатель продуктивности БТС, в нашем случае выражающий динамику прорастания семян, %/сутки; г - время, сутки; А,, - коэффициент, характеризующий дисперсию отклонений биоэнергетических ресурсов семян (энергию прорастания семян), %; с - коэффициент изменения скорости (перехода) «поглощения-истощения», зависящий от суммарного действия внешних и внутренних факторов в БТС; в - основание натуральных логарифмов;

Для массообменных и диффузионных процессов между клеточной структурой семян и внешней средой величина коэффициента с определяется из выражения

С ~ ЦЬ, (2.2)

С,

'опт

где Ь, - коэффициент уравнения регрессии, определяющий значимость фактора с индексом /; сюпт, с, - соответственно оптимальное и текущее значение факторов с индексом /.

С учетом (2.2) уравнение (2.1) примет вид

У = с,опт (2.3)

Уравнение (2.3) описывает скорость прорастания семян с учетом факторов роста.

Учитывая, что время г завершения фазы прорастания семян (динамики появления всходов) имеет дисперсию, пропорциональную дисперсии стартовых биоэнергетических ресурсов семян Ао, оцениваемое показателем энергии

прорастания семян (и>, %), выражение 2.3) окончательно запишется * {-$»>.*-

У - -ех ' >опт ,% (2.4)

к

где 7*о - время от начала посева семян до появления массовых всходов, сутки.

БТС реализации генетической программы семян в фазе их прорастания

Запуск термодинамических и биохимических процессов внутри растительных клеток зародыша семян начинается с корневых и стеблевых клеток мерисистемы. При определенных условиях они начинают делится, формируя корневую систему и стеблелисговые ор!аны растения Поэтому семена с окружающей их средой составляют единую биотехнологическую сис!сму (БТС), которая эффективно функционирует при оптимальных значениях внешних и внутренних факторов.

Для проверки и подтверждения научной гипотезы разработана концептуальная модель биотехнологической системы возделывания рассады овощных культур. Блок-схема последовательного изменения состояний БТС показана на рис. 2.1.

Рис. 2. 1. Блок-схема последовательного изменения состояний биотехнологической системы возделывания рассады

Данная блок-схема подробно описана в работах [23, 25].

Здесь лишь укажем, что БТС возделывания рассады овощных культур представляет собой единый технологический цикл с последовательными его состояниями, подчиненными единой стратегии: И] - предпосевная обработка семян, N2 - посев и проращивание семян в почве, ЛГ3 - уход за рассадой в фазе вегетативного развития. Она предусматривает:

- целенаправленное формирование технологической базы машинопри-годной рассады, удовлетворяющей требованиям стандарта по качеству (по выходу с 1 м2 ), а также требованиям механизации по высоте стебля и по равномерности распределения растений вдоль и поперек рядка;

- объединение операций, последовательно улучшающих качественные показатели конечного продукта - рассады;

- обеспечение технологической взаимосвязи, когда каждая предыдущая операция создает условия для механизированного выполнения последующей операции.

3. Предпосевная подготовка семян для выращивания машинопригодной рассады овощных культур

В данном разделе освещены биологические, технологические и физико-механические свойства исходных семян овощных культур и концепция повышения их посевных качеств для выращивания машинопригодной рассады, а также способы и технические средства формирования машинопригодных свойств семян с показом факторов, влияющих на их праметры.

Биоло! ические, 1ехнологические и физико-механические свойства исходных семян овощных культур важны для создания средств механизации по подготовке их к посеву.

Исходными семенами условно называют семена, прошедшие послеуборочную обработку и соответствующие требованиям офаслевых стандартов ОСТ 46.25...ОСТ 46.36 по посевным качествам, включающим: всхожесть, энергию прорастания, силу роста, жизнеспособность, влажность, чистоту и зараженность вредителями и болезнями.

11о отраслевым стандартам посевные качества семян 1 -го класса белокочанной капусты, томаюв, сладкого перца и баклажан характеризуются лабораторной всхожестью 85-90%, энергией прорастания 80-87%, наличием примесей - до 2%, влажностью от 9 до 11%.

Большинство эшх качеств не удовлетворяю! требованиям рассадного способа возделывания овощных культур, ибо в этом случае семена рассматриваются как объект механизации, который должен соо!вететвова1ь повышенным требованиям машинопригодности по би0л01ическим, юхнологическим и физико-механическим свойствам.

К биологическим свойствам семян относятся: важнейший показатель их качества, характеризующийся лабораторной всхожестью 1У\, %; оранжерейной всхожестью %; энергией прорастания % и динамикой всхожести V, сутки.

В работах [12, 25] подробно изложена методика определения этих показателей и их количественная величина.

Динамика всхожести семян определяется по специальной методике.

Для теоретического прогнозирования динамики всхожести семян необходимо, кроме определения энергии прорастания семян, иметь данные результатов многофакторных экспериментов проращивания семян каждой конкретной культуры, в т. ч. показатели значимости различных факторов.

В табл. 3.1. приведены биологические свойства исходных семян основных рассадных культур.

Таблица 3.1

Биологические свойства исходных семян основных рассадных культур

Культура Лабораторная всхожесть, IV, % Энергия прорастания, Всхожесть оранжерейная, IV, % Динамика прорастания всходов, сутки

Капуста б/к 90 75 70 9

Томаты 85 84 67 13

Перец 70 85 78 15

Баклажаны 85 80 85 13

Технологические свойства семян рассадных культур характеризуются сыпучестью (углом естественного откоса или коэффициентом внутреннего трения), коэффициентом фения по гладкой металлической поверхноои, коэффициентом поглощения энергии, удельным весом и скоростью витания. Семена рассадных культур, как объект механизации, должны обладать хорошей сыпучестью, т. е. их поверхность должна быть гладкой и округлой (без острых кромок), слипаемость и сцепляемость семян не допускается.

Коэффициент поглощения семенем энергии улара характеризует упругие свойства структуры его вещества и синергетику семени как биологической системы. Методика определения способности семян поглощать различные виды энергии (механическую, электромагнитную, тепловую) и энергию прорастания общеизвестна. Наиболее простым методом определения коэффициента поглощения семенем энергии удара является метод сравнения высоты отскока семени с высотой его падения на горизонтальную плоскость.

Масса семян является одной из динамических характеристик их машино-пригодности. Для улучшения односеменного высева, а также для дружного прорастания, масса семян в пределах одной фракции, должна бьпь одинаковой.

Скорость витания семян также характеризует их машинопригодность. Чем выше скорость витания, тем устойчивей траектория падения семян в бороздку.

Технологические свойства исходных семян основных рассадных кулыур приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Технологические свойства исходных семян основных _рассадных культур при влажности 9-11%_

Культура Коэффи- Коэффи- Коэффи- Масса Скорость

циент циент тре- циент по- 1000 шт витания,

внутренне- ния по ме- глощения семян, г м/с

го трения, (угол тре- таллу, / энергии удара

ния, град.)

Л ш

Капуста б/к 0,48 (25) 0,30 0,45 4,0±0,8 6,3±0,3

Томаты 1,03(45) 0,63 0,72 3,5±0,5 3,5±0,4

Перец 0,62(32) 0,40 0,65 6,2±1,4 4,5±0,3

Баклажаны 0,60(30) 0,50 0,60 5,0+0,3 4,8±0,3

Физико-механические свойства семян характеризуются размерно-массовыми показателями и коэффициентом формы семян.

Размерно-массовые показатели семян широко освещены в литературных источниках, в т. ч. в работах [12, 25].

Семена овощных культур делятся на 5 трупп: очень мелкие, мелкие, средние, крупные и очень крупные.

К очень крупным семенам относят семена, число которых в 1 г составляет 10 шт и меньше, к крупным соответственно - 11-100 шт, средним - 101-500 шт, мелким - 501-1000 шт, очень мелким - более 1000 шт.

Усредненные физико-механические показатели исходных семян основных рассадных культур приведены в табл. 3. 3.

Коэффициент формы семян еще недостаточно изучен, что в определенной степени затрудняет расчет оптимальных параметров рабочих органов для высева семян.

Коэффициент формы семян определяется как отношение поверхности семени к поверхности шарового семени того же объема по формуле

5

(3.1)

где Бс - поверхность семени, равная Бс = 2 ■ х"+ ас + Ьс): х - коэффициент, приводящий поверхность семени к поверхности шаровидного семени того же объема при с-м и Ь—*а. Для шаровидных семян, когда а=Ь=с, А=1. Тогда Х=ъ!6; - поверхность шарового семени со средним диаметром равным ¿=(а+г>+е)/3.

Таблица 3.3.

Усредненные физико-механические показатели некоторых исходных _семян рассадных овощных культур влажностью 9-11%

Культура Размеры семян, мм Коэффи- Плот- Объем-

Длина Ширина Толщина циент формы семян ность, кг/м3 ная масса, кг/м3

Капуста б/к 2,7 1,7 1,5 0,8-0,9 1000-1200 712+10

Томаты 2,1-4,9 0,7-3,5 0,4-1,1 0,5-0,7 1000-1300 306±10

Перец 3,0-5,2 2,5-4,3 0,5-1,6 0,6-0,8 1000-1400 415±10

Баклажаны 2,5-3,8 1,2-2,5 0,6-2,2 0,7-0,8 950-1200 550+10

После подстановки значения % в предыдущие промежуточные выражения, которые здесь не приведены, и проведения преобразований окончательно получим формулу для определения коэффициента формы семян „ „ аЬ + ас + Ъс

К = 3----= (3.2)

(а + Ъ + с)

Если обозначить через X отношение Ыа, а через У отношение с/а, то получим формулу в виде, решаемом компьютерной цро1раммой МЛ'П.АВ-6,5

К = (3.3,

(1 + X + уу

где Л"~0...1; Г= 0...1.

Применение компьютерной программы позволило получить диапазон значений коэффициента формы семян, номограмму для определения коэффициента формы семян в проекции на координатную плоскость и номограмму для определения коэффициента формы семян на боковые координатные плоскости.

В области реальных значений ширины и толщины семян к их длине значения коэффициента формы семян находятся в пределах для: капусты -0,8...0,9, томатов - 0,5...0,7, перца - 0,6...0,8, баклажан -0,7-0,8.

Копцспция формирования различных свойств семян для выращивания машинопригодной рассады

Состояние биотехнологической системы рассадного способа возделывания овощных культур в стадии предпосевной подготовки семян, БТС N| (рис. 3.1), имеет главное и решающее значение-

Рис. 3.1. БТС предпосевной подт-товки семян для выращивания машинопригодной рассады, пересаживаемой в открытый грунт: 1 - шлифовка и полировка поверхности семян; 2 - калибровка семян по плот-нос! и; 3 - замачивание семян в растворах микроэлементов; 4 - энергонасыщение семян; 5 - закалка семян и просушка

Ъ

Предпосевная подготовка семян включает в себя комплекс технологических операций, направленных на улучшение биологических, технологических и физико-механических свойств семян.

Для выращивания рассады выбирают самые лучшие по посевным качествам семена. Важным показателем посевного качества семян является их плотность, которая в зрелом и полностью сформированном семени должна быть больше 1 г/см1. Поэтому с целью выращивания машинопригодной рассады овощных культур, исходные семена подвергают комплексной обработке, включающей:

- шлифование поверхности семян (факторы с1п) для удаления ворсинок, шелухи, плесени и фибков, повышения сорбиционных свойств поверхности семян;

- разделение семян на фракции по плотности и выделение фракции с плотностью большей 1 г/см3, что позволяет выделить семена с выровненной энергией роста (факторы

- замачивание семян в растворах микроэлементов для пробуждения семян и активизации генетической программы прорастания семян (факторы й?13);

- энергонасыщение семян прогреванием при температуре 40°С и барбо-тированием в течение 8-12 ч для активизации корневых мерисистемных клеток и провоцирования их к делению, т. е. к началу проклевывания ростков (факторы £/и);

- сушка семян до влажности 12-15%, закалка холодом, для временного затормаживания процесса роста и обеспечения семенам сыпучести и прочности

В.

Ь

&

на сжатие, достаточные для механизированного высева семян в почву (факторы du)-

При высокой точности управления технологическими факторами U, на выходе БТС получают практически элитные семена овощных культур с высокими биологическими/I,, технологическими /¡2 и физико-механическими /п свойствами.

Способы и технические средства формирования машинопригодных

свойств семян

Качество семян существенно влияет на точность высева по одному, необходимую при механизированном выращивании и посадке рассады.

Точный высев семян экономически целесообразен, если семена обладают высокой оранжерейной всхожестью (97...99%) и выравненной энергией роста (90—95%), имеют низкий коэффициент внутреннего трения и выровненную размерную характеристику, ибо это является исходным условием для механизации и автоматизации последующих технологических процессов но уходу за растениями и их уборке.

В связи с этим в овощеводческих хозяйствах необходимо семена перед посевом подвергать комплексной обработке с целью улучшения их посевных качеств, используя при этом различные способы и технические средства.

Для снятия ворсистости семян, повышения сыпучести и энергии прорастания, калибровки по доминирующему размеру семена подвергают шлифовке.

Для предпосевной обработки большого количества семян (до 500-1000 кг ) в крупных овощеводческих хозяйствах нами разработана и изготовлена установка УОС-1 для комплексной обработки семян (рис. 3.2), оборудованная роторным рабочим органом для шлифования семян Кроме тою, в установке может осущсствляться процесс барботирования семян путем подачи в емкость кислорода или сжатого воздуха.

Производительность установки достигает 150 кг/смену. При этом расход жидкости (воды) составляет 10 м3, расход кислорода - до 60 м3/ч, расход электроэнергии на один рабочий цикл составляет 8 кВт, конструкционная масса установки - 1800 кг.

Комплексная предпосевная обработка семян предусматривает очищение их поверхности oi ворсинок и шероховатости, придание ей обтекаемой формы заданного среднего размера d, выделение наиболее тяжеловесной фракции в солевом растворе. С целью активизации биоэнергетических ресурсов семян, выделенную фракцию семян замачивают в растворе микроэлементов и выдерживают около суток при температуре 30...40°С, затем промывают в насыщенной кислородом воде.

Полное описание конструкции и технологического процесса УОС-1 приведено в работах [12,25].

Здесь же лишь рассмотрен рабочий орган роторного типа и приведено его теоретическое обоснование.

Рис. 3.2. Схема установки УОС-1 для комплексной обработки семян:

1 - кожух с воронкой шлифовального органа

2 - статор; 3 - ротор;

4 - нория подачи семян;

5 - электродвигатель

Роторный шлифовальный рабочий орган (рис. 3. 3) состоит из кожуха с зафузоч-ной воронкой 1, статора 2 с конусовидной рабочей поверхностью (угол конуса у основания а равен 2-3 град, и ротора 3 в виде плоского диска диаметром 2 г. Рабочие поверхности ротора и статора покрыты ворсистым материалом, коэффициент трения скольжения семян по ворсистому материалу равен Уё=0,8..-0,9; коэффициент грения качения/„^0,4...0,5.

Исходные данные для теоретических исследований и принятые допущения:

- семена, предназначенные для комплексной обработки, имеют объемную массу у, кг/м3, средний диаметр семени равен й\ - коэффициенты трения скольжения семян по рабочим поверхностям статора и ротора равны /с, а коэффициенты трения качения равны /к; - в установившемся режиме работы шлифовального органа секундная подача семян в загрузочную воронку Мс кг/с и секундный выход семян и их частиц равны между собой.

Рис. 3.3. Схема роторного шлифовального органа установки УОС-1 и сил, действующих на семена

В шлифовальном органе наружный радиус диска ротора обозначим г, радиус загрузочной воронки статора - г0, заданный зазор по радиусу г между статором и диском ротора <Л, угловая скорость вращения ротора а, угловая относительная скорость семян ф, радиальная скорость семян

Р-

Динамика относительного движения

семян в шлифовальном органе рассмотрена в полярной системе координат (р, <р).

В установившемся режиме работы шлифовального органа на семена действуют: сила веса Р, Я; центробежная сила инерции Ус, Н\ кориолисова сила инерции //; сила трения качения семян между поверхностями статора и ротора Р\,Ни сила трения скольжения семян между поверхностями статора и ротора Г2, Н.

В соответствии с принятыми обозначениями напишем дифференциальное уравнение движения семян в шлифовальном органе

»{р-рфг\

■ тро)2 - то(г

(3.4)

т(рф + 2рф) =

Скорость вращения ротора а - величина постоянная, потому можно предположить, что относительная угловая скорость семян в установившемся режиме также будет постоянной величиной равной ф = 0,5&), а ее производная ф- 0. С учетом принятых допущений система дифференцированных уравнений принимает вид неоднородного линейною дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами:

р + 0,5юр - 0,25а?р = ~g[fc - ) (3.5)

Общее решение неоднородного дифференциального уравнения (3.5) равно сумме общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного уравнения.

Определяя постоянные коэффициенты С'1 и С2 и проведя необходимые преобразования, получим уравнение для определения условий выхода семян из шлифовального органа:

Оптимальное значение радиальной скорости выхода семян из шлифовального органа определяется из условия равенства секундного объема подачи семян в горловину М^/у и секундного объема выхода семян 2т-с1р

Мс

р =---(3.7)

2/г - г(1у

Секундную подачу семян в горловину барабана определяют по следующей формуле при 1= 1с.

Мс = ^Г|гг4^2(/с(3-8)

Для проверки полученных теоретических зависимостей были проведены исследования на специальной установке УШ-10А для шлифования семян, техническая характеристика которой приведена в табл. 3.4.

Испытания установок УОС-1 и УШ-10А с роторным рабочим органом проводились в хозяйстве «Ильичевский» Карачаево-Черкесской Республики на семенах томатов, перца сладкого и сахарной свеклы. Испытания установок подтвердили достоверность теоретических выводов и рассчитанных параметров. Роторный шлифовальный орх-ан позволяет повысить сыпучесть и вырав-ненность семян, удаляет с поверхности семян ингибиторы и возбудителей болезней, облегчает удаление трудноотделимых примесей, снижает коэффициент внутреннего трения семян, что в конечном итоге, обеспечивает высокое качество семян и высокую точность высева семян без пропусков. Шлифовка семян предотвращает также забивание присасывающих отверстий высевающих аппаратов пневматических сеялок.

Таблица 3.4

Техническая характеристика УШ-10А

Диаметр загрузочной воронки, 2г0, мм 200

Диаметр ротора, 2г, мм 650

Конусность поверхности статора, (180°-2а), град. 174

Диаметр статора, мм 650

Угловая скорость ротора, V/, рад/с 25

Покрытие поверхностей ротора и статора лавсан

Коэффициент трения скольжения семян,/с 0,8-0,9

Коэффициент трения качения семян, 0,5-0,6

Производительность, кг/смен) до 150

Габариты, мм: длина х ширина х высота 1600x1000x1200

Масса, кг 250

Обслуживающий персонал, чел. 1

В качестве варианта подготовки семян к посеву испытан гравитационный способ шлифования семян.

При гравитационном способе семенной материал помещают внутрь вращающегося барабана, в котором семена под собственным весом многократно пересыпаются и шлифуются между собой.

Для механической обработки семян томатов и других овощных культур, с целью удаления с их поверхности ворсинок ингибирующего слоя, калибровки семян по доминирующему размеру, повышения их сыпучести и одновременного удаления из обрабатываемого слоя семян разрушенных ворсинок и других примесей, в Карачаево-Черкесском НИИ при нашем участии разработана установка У111-10 (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Схема установки УШ-10 для шлифовки семян: 1- вращающийся рабочий цилиндр; 2 - съемная крышка; 3 - стяжной бэлт; 4 - воздуховодная труба; 5 - отверстия в трубе; 6 - распорная втулка; 7 -отверстия для выхода воздуха; 8 - плоские диски с наклеенным с двух сторон водостойким абразивным материалом; 9 - лента из абразивною водостойкого материала; 10 - корпус; 11 - подшипниковая опора; 12 - звездочка; 13 - ось поворота цилиндра в вертикальное положение; 14 - приводной механизм; 15 -опора цилиндра.

Подробное описание устройства и технологического процесса установки приведено в работах [12, 251, а ее основные технические данные - в табл. 3.5.

Таблица 3.5

Производительность при шлифовке, кг/ч:

семян капусты белокочанной 10,0

семян томатов 5,0

семян перца, баклажан и др. 10,0

Вес семян, загружаемых в цилиндр, кг 10

Диаметр рабочею цилиндра, мм 450

Длина рабочего цилиндра, мм 1000

Диаметр просевающих отверстий в цилиндре, мм 1,2

Скорость вращения цилиндра, рад/с, (мин"1) 2,2(21)

Избыточное давление воздуха в цилиндре, к11а 50

Потребляемая мощность, кВт 1,0

Габариты, мм: длина х ширина х высота 1300x900x1250

Масса, кг 65

Обслуживающий персонал, чел. 1

Семена загружают в рабочий цилиндр предварительно установив его вертикально на оси и открыв крышку. Для выгрузки семян снимают крышку, наклоняют цилиндр и включают привод цилиндра. Семена самотеком высыпаются в тару.

Рис. 3.5. Расчетная схема шлифовального рабочего органа установки УТИ-10

После засыпки семян крышку 2 закрывают, рабочий цилиндр 1 переводят в гориюнтальное положение и включают электродвигатель привода. Рабочий цилиндр вращается с окружной скоростью К«1 м/с (угловой скоростью w=2,2 с' '). Семена, под действием центробежной силы Fi\=mw2R и в силу своей сыпучести, равномерно распределяются по длине внутренней поверхности рабочего цилиндра и увлекаются силой трения семян о рабочую поверхность цилиндра Frp во вращательное движение. При подъеме семян на угол ос>(р (угла трения семян о внутреннюю поверхность цилиндра) семена начинают скользить в направлении, противоположном вращению цилиндра, и чем больше угол подъема семян а, тем больше скорость скольжения семян. Наконец наступает момент динамического равновесия, когда семена занимают показанное на рисунке положение в виде стекающей с кривой поверхности капли жидкости. Все семена в этой «капле» перемещаются по криволинейным спиралям, периодически совпадающим с цилиндрической поверхностью шлифовального органа УШ-10 и в этот период семена шлифуются.

R полярной системе координат дифференциальное уравнение движения элементарного слоя семян, прилегающею к рабочей поверхности цилиндра в зоне скольжения а>(р, имеет вид:

mR а = /|тЛ(й> - áf + mg sin orj - mg cos a (3.9)

Поделив на mR и перенеся все члены в левую часть уравнения, получим дифференциальное уравнение движения семян в зоне их скольжения по рабочей поверхности цилиндра:

a- fiw-áY cosa = 0

R R

(3.10)

а- /й2 - /с>2+2/йм* = — зит+ -соза = 0

Я R

Решая дифференциальное уравнение (ЗЛО) с разделяющимися неременными и интегрируя обе части при условии/^г/>, оконча1сльно получим

а = (р + еш'^(р (3.11)

Полученная зависимость угла подъема семян в шлифовальном барабане от величины его угловой скорости барабана показывает, что имеется предел

угловой скорости, при которой семена не будут перекидываться в левую часть барабана, т. е. при а<п:

М<\П (л-ф^ф (3.12)

Внутреннюю поверхность барабана покрывают абразивным материалом для ускорения процесса шлифования, при этом угол трения семян по абразивной поверхности достигает 45°. Поэтому:

Ш < 1п

* ~ \г 7 = 1п 7п = °'857 Рад" (3'12)

V

Интенсивное перемешивание семян между собой и скольжение их по абразивному материалу, наклеенному на внутреннюю плоскость цилиндра, отделяет ворс, ингибирующий слой, счесывает острые края семян.

Таким образом, семена становятся гладкими и округлыми, увеличивается их сыпучесть. Механические повреждения семян при такой обработке практически исключаются.

В процессе шлифовки семян воздушным потоком, поступающим через воздуходувную трубу во внутрь рабочего цилиндра, через его перфорированные отверстия удаляется все, что отделилось 01 семян. Эго значительно ускоряет процесс шлифовки.

Определялся также коэффициент очистки семян. На аналитических весах взвешивали вес семян тжм, загружаемых в установку, и через каждые 30 минут шлифования взвешивали их снова, при этом в каждом случае определялось количество примесей тсор.

Коэффициент очистки Кт определяли из соотношения: т -т

К = -^100% (3.13)

° т

сем

Влияние засоренности семян на надежность работы сеялки исследовали на семенах, разделенных на шесть фракций по величине коэффициента засоренности: 0%, 0,2%, 0,4%, 0,6%, 0,8%, 1,0%.

Коэффициент засоренности для каждой фракции определяли но формуле: т

К -—^100% (3.14)

зас т

сем

где тяиф - масса отсева (ворсинки, пыль и т. п.); т^м - масса семян.

Величину коэффициента засоренности Кж семян устанавливали путем смешивания с отсевом (ворсинки, пыль, чешуя, отколы семян и т. п.), полученные из самой массы семян при их шлифовке (размеры отверстий сита рабочего цилиндра равны 1,2 мм).

В качестве оценочных показателей были приняты количество семян, высеянных по одному, по два и более, а также пропуски в процентном отношении к обтцему количеству высеянных семян (рис. 3.6).

Из графика видно, что при наличии примесей в семенах (К.лс в пределах 0...0,4%) качество работы высевающего аппарата существенно не изменяется.

При дальнейшем увеличении коэффициента засоренности (А"1ас более 0,6%) качество сева резко ухудшается. Количество ссмян, высеянных по одному, снижается с 85% до 70%, количество пропусков возрастает до 20%.

Установка УШ-10 обеспечивала чистоту семян томатов до 99,8%, что улучшает качество работы сеялки точного высева ТОСТ-1,2: количество односемянных гнезд увеличилось до 85%. В результате этого затраты труда на прореживание всходов уменьшаются, достигается оптимальное расположение растений по площади питания.

Дня дальнейшего повышения посевной годности семян овощных культур их обрабатывают в растворах микроэлементов. При замачивании в растворах пробуждается ферментная система семени и зародыш подготавливается к прорастанию, в жидкой среде вымываются ингибирующие вещества и возбудители болезней из околоплодника.

В последние годы прослеживается тенденция деления больших сельскохозяйственных предприятий на мелкие хозяйства, а им нужны установки для подготовки семян к посеву малой производительности.

Потребность небольших овощеводческих хозяйств в семенах овощных рассадных культур ограничивается несколькими десятками килограммов. При возделывании рассады для открытого фунта на 1 га теплиц расход семян составляет в среднем 12-15 кг.

В связи с этим, при нашем участии, был разработан и внедрен в производство новый вариант установки УОС-1 «Мини» для обработки семян овощных культур в жидкости. Подробное описание устройства и технолотичсскою процесса приведено в работах [12, 25], схема установки показана на рис. 3.7, а ее основные технические данные приведены в табл. 3. 6.

В технологию обработки семян овощных культур и их сортировку по удельному весу были введены новые способы очистки поверхности ссмян, которые придали ей в целом комплексный характер.

Установка УОС-1 «Мини» выдает семена высшею качества и работает до настоящего времени в хозяйствах «Кубанский», «Ильичевский», «Красногорский» и «Юбилейный» Карачаево-Черкесской Республики.

Рис. 3.6. Зависимость качества посева семян томата от коэффициента засоренности высеваемых семян

50

О 0.00Й 0.004 0.006 0.008 0.01К*«

Рис. 3 7. Технологическая схема ус!ановки для обработки семян овощных культур УОС-1 «Мини»: 1 - рабочая емкость; 2, 3 - фланцы; 4 - шпилька; 5 - отводная труба; 6 - конусная обратная воронка; 7 - воздуховод; 8 - запорная арматура; 9 - специальный клапан; 10 - управляемый шток; 11 - пробковый кран; 12 - приемный стол; 13 - сушильный стол; 14 - смеситель; 15 - мешанка; 16,17 - вентили; 18 - емкость; 19 -электроводонагревагель; 20 - центробежный насос; 21 - кислородный баллон; 22 - компрессор; 23 - кран

Обработка семян овощных рассадных культур в жидкой среде на установке УОС-1 «Мини» позволяет выделить наиболее ценные в биологическом отношении семена, удалить из корнеплодника ингибиторы и возбудителей болезней, дополнительно очистить их от трудноогделимых примесей, повысшь сыпучесть и выравненностъ семян, а также позволяет повысить надежность и качество работы тепличной сеялки ТОСТ-1,2.

Установка УОС-1 «Мини» применяется в комплексе со шлифовальной установкой УШ-10. Для предпосевной подготовки небольшого количества семян рассадных культур (до 30 кг) такой комплект оборудования экономически эффективен в условиях фермерских хозяйств.

Следующий важный этап - закалка семян. Набухшие семена подвергают закалке переменными температурами в течение 10-15 суток: днем выдерживают при температуре 18...22°С, ночью - при температуре минус 1 ...3°С.

Таблица 3.6

Техническая характеристика установки УОС-1 «Мини»

Производительность при шлифовке, кг/сутки: семян капусты белокочанной семян томатов семян перца, баклажан и др. 10,0 5,0 10,0

Вес семян, загружаемых в цилиндр, кг 5,0

Диаметр рабочего цилиндра, мм 250

Длина рабочего цилиндра, мм 1000

Давление нагнетаемого в цилиндре воздуха, кПа 196,2

Потребляемая мощность, кВт 0,5

Габариш, мм: длина х ширинах высота 500x500x1300

Масса, кг 25

Обслуживающий персонал, чел. 1

Определение оптимальных параметров факторов, влияющих на получение машинолригодных свойств семян

Для выявления зависимости всхожести и энергии прорастания семян от коэффициента внутреннего трения, плотности семян и времени их замачивания проведен многофакторный эксперимент на семнах томатов сорта «Волгоград-ский-5/95» в агрофирме «Джаше», г. Усть-Джугута, Карачаево-Черкесской Республике. Семена томатов шлифовали на установке УШ-10, а калибровку и замачивание осуществляли на установке УОС-1.

Методика проведения экспериментов подробно изложена в работе [25]. Здесь лишь указаны основные моменты выполнения данных экспериментов.

Для планирования мноюфакторных экспериментов выбрана матрица центрального композиционного планирования 1ип 2\ В табл. 3.7 приведено кодирование и интервалы варьирования независимых переменных.

По результатам мпогофакторных экспериментов и их регрессионного анализа получено уравнение регрессии, описывающего векторное пространство отклика БТС:

/„ = 95,21+ 0,6Х, +1,69Х2 + 2,58Х, -0,5IX,2 -0,81Х,2 (3.15)

Таблица 3.7

Кодирование и интервалы варьирования независимых переменных

Наименование уровней варьирования факторов Кодовое обозначение факт оров Уровш 1 варьирования »акторов Наименование факторов

X, Х2 X,

Интервал варьирования - 0,2 0,1 10 Х| - коэффициент внутреннего трения семян

Звездный уровень +1,215 0,95 1,32 27,15

Верхний уровень +1 0,9 1,3 25 Х2 - плотность семян, г/см

Базовый уровень 0 0,7 1,2 15

Нижний уровень -1 0,5 1,1 5 Хт - время замачивания семян в растворю, ч

Звездный уровень -1,215 0,457 1,08 2,85

Оптимальные значения факторов Х\, Х2, Х^, обеспечивающих максимальную лабораторную всхожесть семян и энергию их прорастания, а также построение контурных линий сечений поверхности отклика в фехмерном изображении в области оптимума выполнены с использованием компьютерной программы МАТЬАВ-6,5.

Уравнение регрессии (3.15) описывает векгорное пространство отклика БТС на возмущающие факторы Х\, Х2, Х3, визуализировать которую современными математическими и техническими средствами невозможно. Поэтому изучают эту поверхность отклика методом сечений.

Для этой цели уравнение регрессии (3.15) записывают в кодированном компьютерном виде для трех сечений: ^=0, А'2=0, Хз=0.

Далее уравнение регрессии преобразовывалось в виде команд для его ввода и решения на компьютере, что позволило описать поверхность отклика БТС на возмущающие ее факторы: Хг и Х\, X] и Х3, Х\ и Хг-

Оптимальные значения факторов Лг, Х^ для проверки результатов опыта, можно предварительно вычислить методом составления системы уравнений, представляющих частные производные уравнения регрессии (3.15). Их значения, обеспечивающие максимальную всхожесть семян, составляют ^=0, Лг~1,65, Хъ=1,59. Подставив их в уравнение (3.15), определена максимальная лабораторная всхожесть семян, равная К,тах= 98,66%.

Вычислив пивные опорные координаты поверхности отклика, описываемые уравнением (3.15), визуальным методом исследуется, в области опорных координат, зависимость лабораторной всхожести семян от колебаний факторов Х,,Х2,ХЬ Визуализация уравнения поверхности отклика показана на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Поверхность отклика, отражающая зависимость лабораторной всхожести семян от изменения плотности семян (Х2) и времени экспозиции при замачивании и барботировании семян (Аз) при коэффициенте внутреннего трения семян 0,7

Визуально исследовав поверхность отклика, видим, что она имеет один оптимум с координатами Х2=\,65 (1,365 г/см3), ^=1,59 (32 ч), имеет выпуклую вверх гиперболическую форму симметричную координатным осям. Контурные линии имеют вид правильных концентрически расположенных эллипсов, большая ось которых параллельна оси Х2.

Используя описанную выше методику, в работе [25] приведено более десяти поверхностей откликов.

При тех же условиях варьирования и кодирования факторов эксперимента (табл. 3.7) проведен многофакторный эксперимент по изучению влияния этих факторов на энергию прорастания семян томагов, сорт «Волгоградский-5/95».

В результате регрессионного анализа результатов многофакторного эксперимента получено уравнение регрессии, адекватно описывающего вектор-функцию отклика, характеризующую энергию прорастания семян томатов в зависимости от режимов их предпосевной обработки: Г2 - 82,32 +1,37ЛГ, + 3,83*, - 0,87Х22 - 4,35Х32 + 0,35Х,Х3 (3.16)

Применяя изложенную выше методику, на рис. 3.9 построена поверхность отклика, отражающая зависимость энергии прорастания семян томатов от изменения плотности семян Х2 и времени экспозиции при замачивании и барботировании семян Х3.

Из рис. 3.9 видно, что поверхность отклика представляет собой гиперболоид, оси симметрии которого параллельны координатным осям. Оптимум поверхности определяется координатами ^-=1,2 г/см1, Ху~-19 ч. Максимальное значение энергии прорастания равно 82,5%. Контурные линии сечений поверхности отклика горизонтальными плоскостями в области оптимума имеют вид концентрических эллипсов. Ближайший к оптимуму контурный эллипс обозначает геометрическое место ючек (одинаковых значений энергии прорастания 1^=80%) на поверхности отклика при изменении Х2 в пределе I... 1,3 г/см1, в пределе 14..,24 ч.

Рис. 3.9

Поверхность отклика, характеризующая изменение энергии прорастания семян томатов в зависимости от плотности семян Х> и времени экспозиции замачивания и барбо-тирования Х(.

*з час

В результате исследования поверхностей отклика, характеризующих лабораторную всхожесть семян в зависимости от режимов их предпосевной обработки, можно сделать следующие выводы:

- вектор-функция отклика имеет один максимум лабораторной всхожести семян томатов, равный 98,66%, при оптимальных значениях факторов: коэффициент внутреннего фения семян - 0,8, плотность семян - 1,36 г/см3, время замачивания и барботирования 32 ч;

- с увеличением плотности семян томатов от 1,2 до 1,4 г/см3 и времени их замачивания и барботирования от 0 до 32 ч лабораторная всхожесть семян томата растет от 86 до 98,7%, а энергия прорастания при изменении времени замачивания от 0 до 19 ч изменяется от 65 до 83%;

- коэффициент внутреннего трения семян оказывает несущественное влияние на лабораторную всхожесть и энергию прорастания семян томатов, поэтому выбор этого параметра семян диктуется требованиями к семенам, предназначенным для точного односеменного высева.

Многофакторными экспериментами определены оптимальные режимы предпосевной обработки семян, обеспечивающие формирование мащинопри-годных биологических, технологических и физико-механических свойств семян для механизированного выращивания и посадки машинопригодной рассады (табл. 3.8, 3.9 и ЗЛО).

Таблица 3.8

Биологические свойства обработанных семян влажностью 12-15%

Культура Энергия прорастания, % Всхожесть оранжерейная, Динамика прорастания, V, 98-99%, за период в сутках

Капуст а б/к 90 99 5

Томаты 90 98 9

Перец 90 99 11

Баклажаны 90 99 10

Таблица 3.9

Технологические свойства обработанных семян влажностью 12-15%

Культура Коэффициент внутреннего трения (угол трения, град.), /о (фа) Коэффициент трения по металлу,/ Коэффициент поглощения энергии удара Масса 1000 пи-семян, г Скорость витания, м/с

Капуста б/к 0,32(18) 0,25 0,47 4,8+0,8 6,8+0,3

1 оматы 0,50(27) 0,30 0,60 3,9±0,5 4,2+0,4

11ерец 0,40(22) 0,30 0,55 7,5±1,4 5,2+0,3

Баклажаны 0,40(22) 0,39 0,51 5,2±0,3 5,0±0,3

Таблица 3.10

Физико-механические свойства обработанных семян влажностью 12-15%

Культура Размеры семян, мм Коэффициент формы Плотность, кг/см1 Масса объемная, и/см1 Иосенная годность, %

длина ширина толщина

Капуста б/к 4,0 3,0 3,0 0,85 1300-1400 1040±10 99

Томаты 5 3,5 3.5 0.7 1200-1300 1000±10 98

Перец 5,5 4,1 2,5 0,7 1200-1400 1100+10 99

Баклажаны 4,0 3,0 2,5 0,7 1200-1400 1150±10 99

4. Посев семян и фаза их прорастания

Концепция формирования машинопригодных свойств рассады способом высева семян в почву, обеспечивающим экссргию их развития в фазе прорастания

Многолетняя практика выращивания рассады для открытого фунта в пленочных теплицах показывает, что к моменту уборки рассады для пересадки в открытый грунт, но данным В11ИИО, только 60% рассады соответствует требованиям стандарта, 20% рассады убирается недозревшей и 20% рассады - перезревшей. Это является следствием недружного прорастания семян рассадных культур.

Динамика прорастания семян овощных культур в значительной степени влияет на качество рассады к моменту се уборки, особенно на показатели ее машинопригодности. В тоже время, динамика прорастания семян зависит от энергии прорастания семян, равномерности глубины заделки семян, от плотности почвы и от ее комковатости над семенами. В связи с этим, актуальной задачей является определение оптимальных параметров глубины и формы бороздок, плотности заделки семян почвой с целью уточнения афотехнических требований к сеялкам точного высева семян рассадных овощных культур.

Дисперсия фазы созревания рассады находится в прямой зависимости от дисперсии фазы прорастания семян, а последняя, в свою очередь, зависит от энергии прорастания семян. Энергия прорастания семян характеризует биоэнергетический потенциал семян. Опираясь на достижения науки в области физиологии растений и, в частности, в области биоэнергетических процессов, протекающих в семенах под воздействием тепла, влаги и кислорода воздуха, а также на результаты многофакторных экспериментов прорастания семян можно сформулировать научную гипотезу о том, что:

- в каждом семени под внешней оболочкой компактно упаковано вещество клеточной структуры с генетическим кодом и с достаточным запасом биоэнергетических ресурсов, способных при оптимальных внешних условиях

сформировать росток с семядольными листочками и корневой системой, готовой к дальнейшему самостоятельному вегетативному развитию:

- величина запаса биоэнергетических ресурсов семени прямо пропорциональна его массе;

- высота ростка зависит от глубины заделки семян в почву, о г структуры и плотности почвы над семенами, от температуры и влажности семенного слоя и описывается уравнением (2.1).

На основе научной гипотезы и многолетних опытов, разработана энергосберегающая технология выращивания машинопригодной рассады, отличающаяся от известных технологий тем, что семенные бороздки клиновидной формы (угол клина меньше двух углов трения почвы по резине) и одинаковой 1лубины (глубина 2,5 см) накатывают реберчатым барабаном; семенные бороздки закрывают ступенчатым способом: вначале, при посеве на минимальную глубину (0,5... 1,0 см), затем толщину росткового слоя семян наращивают при каждом последующем поливе самоосыпанием почвы в бороздку, стимулируя, тем самым, развитие дополнительных корней у всходов в зоне росткового слоя почвы (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Энергосберегающая технология заделки семян в почву: 1- накатка клиновидных борозд и высев семян; 2 - прикатывание борозд, создание контакта семян с почвой и рыхлого канала над семенами; 3, 4, 5 - сту-петгчатое наращивание толщины росткового слоя почвы поливом в период прорастания семян; 6 - начало выхода первых настоящих листочков, конец фазы прорастания семян. Римскими цифрами обозначены: 1 - ростковый слой почвы; II - семенной слой почвы; III - корневой слой почвы

При таком способе заделки семян в почву к моменту завершения фазы прорастания семян и к началу вегетативного периода роста рассады ростки приобретают максимальную жизнеспособность, стебельки, как правило, прямостоящие с развитыми семядольными листочками и выровнены по высоте. Стебельки располагаются вдоль осевой линии рядка с заданным рассюяпием -все это является хорошими стандартными показателями для выращивания ма-шинопрш одной рассады.

Стробоскопическая фрагментация процесса посева и нрорастания семян является наглядной интерпретацией научной гипотезы о биохимических процессах, протекающих в семенах под воздействием влаги, тепла и кислорода в фазе их прорастания, описываемых уравнением (2.1). Поскольку биохимические процессы в семенах протекают не в лабораторных условиях, а в тепличных, то необходимо учитывать дополнительные внешние факторы, тормозящие или ускоряющие биохимические процессы в них. К ним относятся: глубина заделки семян почвой, плотность почвы над семенами и экспозиция тепловой обработки почвы, вызывающая шоковое продевание семян и сшмулирующая ускорение биохимических процессов в них. Все эти дополнительные факторы и коэффициенты их значимости должны учитываться в уравнении (2. 1) обобщенным коэффициентом Ъ., характеризующим скорость протекания биохимических процессов в семенах.

Для выращивания машинопригодной рассады необходимо определить динамику прорастания семян. Для ее описания необходимо в уравнении (2. 1), вместо коэффициента скорости биохимических процессов, применить коэффициент изменения скорости биохимических процессов. Тогда можно установить влияние таких факторов, как исходная энергия прорастания семян, колебание глубины заделки семян, колебание плотности почвы над семенами, колебание экспозиции тепловой обработки почвы над семенами на динамику их прорастания. С учетом этих дополнений уравнение (4.1) будет иметь вид

ГА С< Л

А = --е с' ,(%) (4.1)

к

где ц/ - энергия прорастания семян, %; с, - значение г'-того фактора; с"р' - оптимальное значение /-того факт ора (берутся из уравнения регрессии, описывающего БТС прорастания семян).

Уравнение (4.1) описывает поверхность теоретической функции отклика био технологической системы (БТС).

На основе сформулированной научной тпотезы разработана БТС прорастания семян на уровне эксергии, т. е. с максимальным коэффициентом полезного действия (КПД) использования биоэнергетических ресурсов семян (рис. 4.2).

Вектор - функциями условий работы БТС прорастания семян томата на уровне эксергии (внешними возмущениями являются биологические/ц, технологические /12и физико-механические/и свойства семян; внутренних связей 1>2 - глубина заделки семян с1п, плотность почвы над семенами с1,2, экспозиция тепловой обработки почвы огневым культиватором с1п, управления техногенными факторами 11г - допускаемые отклонения на точность глубины заделки семян г/21, допускаемые 01КЛ0нения плотности почвы над семенами «2ъ допускаемые колебания температуры семенного слоя почвы и2ъ Все эти вектор функции в разной степени оказывают определенное влияние на конечные результаты.

'п

« Я

•а ■о

и «ч

я -а

Г

Рис. 4.2. БТС прорастания семян тoмata на уровне эксергии

Вектор-функцию отклика аппроксимирую! но методу Ьокса-Уильсона полиномом в виде степенного ряда:

к к к

у = Ьп+ ХЛг + ХЬ„ х,х, + I Ь,:Х2 +. (4.2)

0 г=1 /=1 1} 3 /=1 ' где Ь0, Ь„ Ь„, Ьц ... - коэффициенты полинома, отражающие долю влияния фактора х, или совместного влияния факторов х,, на выходные показатели БТС.

Полином (4.2) адекватно описывает преобразующее воздействие БТС и является ее математической моделью. Исследование БТС с помощью математической модели сводится к нахождению оптимальных значений функции З^Дх^г, Х>..Х;) и к определению коэффициентов полинома методом

регрессионного анализа результатов многофакторного эксперимента.

Способы и технические средства посева семян, обеспечивающие их прорастание на эксергетическом уровне

Комплексная механизация и автоматизация рассадного способа возделывания овощных культур требует такого же комплексного решения технических задач во взаимосвязи с физиологией роста растений, т. е. решения биотехноло-шческих задач Применительно к промышленному способу выращивания ма-шиноиригодной безгоршечной рассады для открытого грунта необходимо средствами механизации целенаправленно воздействовать на почву, семена и растения. Рассада должна отвечать требованиям машинонригодности к моменту уборки и пересадки ее в открытый грунт.

Формирование свойств машинопрш одности рассады начинается с лапа предпосевной подготовки почвы и семян. На втором этапе (посев и уход в фазе прорастания семян) формирование машинопригодных свойств рассады сводится к созданию благоприятных условий для появления дружных всходов всех

высеянных семян и сокращение фазы прорастания семян. Концептуальная модель целенаправленного воздействия средствами механизации на семена и почву для достижения дружного прорастания семян показана на рис. 4.3. Она предусматривает два основных направления: создание оптимальных почвенно-климатических условий для прорастания семян и таких же условий для их роста с минимальными затратами своих энергетических ресурсов.

Особое внимание уделяется предпосевной подготовке почвы, в т. ч. влажности почвы, изготовлению бороздок одинаковой глубины и клиновидной формы, прикагыванию семян с обеспечением свободного доступа к семенам теплого и влажного воздуха, уничтожению сорняков и ускорению прорастания семян за счет тепловой обработки почвы огневым культиватором, поливу почвы и др.

Для реализации концептуальной модели прорастания семян разработано семейство сеялок точного высева, функциональное назначение и область применения которых показано на рис. 4.4, а техническая характеристика приведена в табл. 4.1.

Базовой моделью семейства сеялок точного высева является сеялка СОТ-1,2 и ее более поздняя модернизированная сеялка ТОСТ-1,2.

Необходимость создания семейства сеялок точного высева была продиктована зарождением нового экономического уклада в агропромышленном комплексе Российской Федерации. Овощеводством стали заниматься ИЧП - индивидуальные частные предприниматели, фермеры, кооперативы и акционерные общества, государственные унитарные сельхозпредприятия (ГУП) и др. Поэтому понадобились сеялки, отличающиеся производительностью, агрегатированием, универсальностью, рыночной стоимостью.

Принципиальная схема модернизированной сеялки точного высева ТОСТ-1,2 показана на рис. 4.5.

Обоснование параметров бороздообразующих и заделывающих рабочих органов сеялки

Сеялка ТОСТ-1,2 опирается на опорные катки одинакового диметра, но передний каток 1 ведущий и снабжен треугольными резиновыми ребордами высотой к(-„ а задний каток 2 имеет гладкую цилиндрическую поверхность. Между катками размещаются лоток для семян 3, высевающий аппарат 4, механизм привода аппарата 5 и гнездообразующее устройство 6. Другие общеизвестные служебные органы - электродвигатель, редуктор, вакуумный насос, цепные передачи, рукоятка управления на схеме не указаны.

Во время движения сеялки катки копируют микрорельеф почвы и под действием веса сеялки реборды бороздообразующего катка накатывают в почве бороздки одинаковой глубины /?«- Присоски высевающего аппарата сбрасывают одиночные семена в воронку гнездообразующего механизма,

Рис. 4.3. Концептуальная модель целенаправленного воздействия на семена и почву для дос 1 ижеиия дружных всходов семян

Области растениеводства

СЕМЕЙСТВО СЕЯЛОК ТОЧНОГО ВЫСЕВА

Функционально е

Тслхюяяяйпп ■а вазе ^(дщипт Ф

Рассада» ноцше плпеии на базе

я»ств*ог« земледелия

Г-1

Имдшядуалысме х фермерские

Селкпин

Воздошвалне 1ШХ1К1П культур (тзбах.рнс жф.)

Самоходные сеялки точного высева С'ОТ-1,2. ТОСХ-1,2

> ннверсальная сеялка точного высева ССТ-1,5

Стационарная сеялка точного высева ССХ-20

Сеялка точного высева для мог тового чемледе-лня С'ХП-40

ТяаАнинш ршпапьиту»!»

Тпнйн«! С№К |«шш культур *

Тпнйпке! тж р ассажюг культур * кассет

Топхй пжеа псж зежмшх культур а

Точмцнгысе» «ляк «а окпвсс участках авяхапмй

Т«чш1ш(» соояп

I! \ИИ *Г ИН КТХЬТУр и

табака

Точкаядозцнкка сааян

колтьсхят

Внедрено в производство Находится в стадии внедрения Пер спектива внедрсиия

Рис. 4.4. Семейство сеялок и их функциональное назначение

Таблица 4.1

Техническая характеристика сеялок, проходивших производственную

проверку в тепличных хозяйствах Ставропольского края

Наименование нокада-елсй Размерность Марки сеялок

СТВ-0.7 СОТ-1.2 ТОСГ-1,2 ССТ-1,5 СТП-40 ССТ-20

Гип сеялки Самоходная с ручным управлением Самоходная с ручным управлением Самоходная с ручным управлением Навесная на трак-гор теп-ляч-ный ВТ-45Т Навесная на электрошасси ШМТ-9 Стационарная с электроприводом

Производительность в час чисто! о времени м^/ч 300 600 600 650 780 144 тыс. шт семян вч

Потребляемая мощность кВт 1,2 2,2 2,3 3,0 4,0 1,2

Ширина захвата м 0,7 1,2 1,2 1,5 1,8

Число засеваемых рядков шт 12 20 20 25 30 20

Ширина междурядий см 6.0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0

Г.мкос гь семенною бункера дм3 10 15 15 20 25 15

Габариты, длина ширина высота мм 1720 1100 500 1720 1600 500 1720 1600 500 1500 1700 800 1500 1700 800 800 1300 500

Масса кг 95 180 240 230 280 120

Обслуживающий персонал чел. 1 1 1 1 1 1

Рис 4.5. Принципиальная схема базовой модели семейства сеялок точного высева - сеялки ТОСТ-1,2 откуда они под собственным весом выпадают на дно открытой бороздки с минимальной высоты, равной

H = h + 0jDKI,

(4.3)

где к - глубина клиновидной бороздки, м; - наружный диамегр корпуса клапанного механизма, м.

Задний каток сеялки деформирует трапециевидные фебешки между бороздками, почва у оснований фебешков смыкается и защемляет лежащие на дне бороздки семена. Подбором давления катка б на почву обеспечивают минимальную высоту семенного слоя почвы в бороздке с=0,5...1,0 см (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Схема заделки семян при посеве: 1 - прикатывающий каток; 2 - первоначальные контуры бороздок и трапециевидных фебенок; 3 - рыхлый почвенный канал над семенами 4 после смыкания почвы; 5 - изолинии нормальных вертикальных напряжений сжатия почвы катком; 6 - линии деформации слоев почвы после прохода бороздообразующего и бороздозаделывающего катков

Каток, при качении по трапециевидным фебням шириной а, деформирует их на величину 5, при этом, почва на глубине к подвергается сжатию, удельное значение которого для гладкою катка определяется по ряду промежуточных формул (здесь не приведенных).

Окончательная величина давления катка на почву может быть определена по формуле

р = -6 - , Па. (4.4)

(2гМ + кЦъ-Ьр)

Сжатие почвы в вер шкальном направлении при прохождении боро ¡до-образующего и бороздозаделывающего катков сопровождается смещением слоев почвы в направлении, отклоненном от нормали в точке изолинии вертикальных напряжений сжатия (поз. 5) под углом трения почвы о почву (поз. 6) В результате этого процесса семена в клиновидной бороздке (поз. 4) защемля-Ю1СЯ уплотненным слоем почвы, а над ними образуется рыхлый почвенный канал (поз. 3) из мелких почвенных частиц, осыпавшихся с боковых стенок бороздки.

Величину необходимой деформации трапециевидных гребней гладким бороздозаделываюшим кагком 5, в зависимости от требуемой толщины семенного слоя почвы с, можно определить из следующего равенства:

ъ

2 к{ь-Ър)

где - Ьр- ширина реборды бороздообразующего катка, м; Ъ - ширина междуря-дия, м; с - толщина семенного слоя почвы, м; к - коэффициент изменения плотности почвы при деформации.

Решая совместно (4.4) и (4.5), относительно веса катка О при к=0 Ь и с учетом количества одновременно засеваемых рядков п, получим его вес

С = 0,5п№о£>Ь — ,н, (4.6)

ок

где О - диаметр прикатывающего катка, м; рр - удельное давление катка на опорную поверхность почвы, Н/м2.

Подсчеты показали, что вес сеялки ТОСТ-1,2 должен равняться С-240 кг.

Качественное накатывание клиновидных бороздок передним реберчагым катком сеялки также зависит от его давления на почву Лп, которое, в свою очередь, зависит от сопротивления почвы объемному сжатию q, Н/см3. Из условия минимальной заделки семян в борозде (семенной слой почвы равен 0,01 м) и весе сеялки 240 кг давление переднего ка!ка ла почву будет равно 180 кг Проверим, достаточно ли такого давления бороздообразующего катка на почву, чтобы накатать клиновидные бороздки на полную глубину к. По теоретическим подсчетам вес переднего катка получен равным 175 кг.

При качении катка по мягкому грунту возможно сгруживание почвы перед катком, что неблагоприятно влияет на работу сеялки. Это явление можно устранить, если диаметр катка выбрать из соотношения:

К 1

--Г1Г. (4.7)

ъ-К 1-(1+/2)

Для принятых выше значений параметров борозды, и при коэффициенте трения материала катка о почву/=0,6, получим

0=0,125 м

Из конструктивных соображений диаметр катков в сеялке ТОСТ-1,2 принят равным 0,2 м.

Обоснование параметров высевающего аппарата сеялки точного высева

Сеялка ТОСТ-1,2 имеет высевающий аппарат пневмомеханического типа с качающимися присосками (рис. 4.7,4.8,4.9).

Рис. 4.7. Схема высевающего аппарата сеялки точного высева ТОСТ-1,2: 1,2- бороздообразующий и прикатывающий катки сеялки; 3 - семенной лоток; 4 - качающаяся присоска; 5 - кривошипно-шатунный механизм качания присосок; 6 - клапанный механизм сеялки; 7 - семя шарового типа в момент захвата

его присоской

Для выращивания безгоршечной машинопригодной рассады точность высева семян необходимо повысить в 1,5-2 раза по сравнению с показателями точности высева семян сеялкой СОТ-1,2, т. с. обеспечить коэффициент вариации среднего значения расстояний между семенами в рядке не более 10%.

Анализ теоретических и экспериментальных исследований, на базе которых была создана сеялка точного высева СОТ-1,2, показал, что приняше ранее допущения в теории высевающего аппарата и нашедшие свое отражение в конструкции сеялки, необходимо подкорректировать. Так, например, при теоретическом исследовании процесса выноса семян из семенного лотка рис. (4.7, вид А), сила инерции Ря не учитывалась, а плечо дейсп вия силы веса семени принималось равным 0,5 о?с. Из конструктивных соображений клапанный механизм был установлен так, что выпадающие из него семена летели в сторону движения сеялки, т. е. семена при падении в борозду имели относительную скорость равную сумме:

что способствовало некоторому раскатыванию семян вдоль борозды.

В модернизированной сеялке ТОСТ-1,2 устранены вышеперечисленные недостатки, выполнен перерасчет некоторых конструктивных и технологических параметров.

Необходимая сила Р присасывания овальных по форме семян к отверстию присоски определена из неравенства моментов сил, действующих на семя (рис. 4.7, вид А):

Рис. 4.8. Схема конструкции присоски высевающего аппарата: 1 - полый вал с закрепленными на ней килевидными корпусами 2 присосок: 3 - уплотнигельные шайбы с четырьмя прорезями; 4 - фиксатор присоски, закрепленный на полом валу 1; 5 - присоска с четырьмя присасывающими отверстиями

Рис. 4.9. Схема клапанного механизма и принцип его работы: 1 - корпус клапана; 2 - воронка для приема семян; 3 - клапан в виде вала с клиновидной прорезью; 4 - отверстие для выпадения семян 5 в борозду 6. а) - отверстие 4 перекрыто клапаном 3, семя занимает ближайшее положение относительно отверстия; б) - отверстие 4 полностью открыто, начало выпадения семя под собственным весом в борозду

Р^->Ра + РЪ + Ри^т 2 и 2

/

<Лп

\

агсэт - а

V

4.

(4.8)

У

где Ри = тсЯпф - сила инерции от углового ускорения присоски, Н;

- сила веса одного семени, Н; Ри = тс11пф2 - центробежная сила, Н; ¿/о - Диаметр присасывающего отверстия, м; с1с - средний диаметр одного семени, м; ОС

- угол отклонения плоскости присасывающего отверстия от радиальной плоскости, град.; /?п - радиус качания центра тяжести семени, м; (р,ф,ф - угол отклонения присоски от вертикали, град.; угловая скорость, 1/с; ужовое ускорение 1 /с2;

2

/

<Р~

arcsin

а

\

/

= ( A sin ф + В COS (р) - плечо

мо-

мента силы веса семени относительно его нижнеи опоры в присасывающем отверстии, м;

Г -1 \

и dc

Ъ = — соз 2

arcsin

*0

а

V

= '—{kúna- л/Т- к2 cosaj = а~В

dc 2

пле-

чо момента центробежной силы относительно нижней опоры семени в присасывающем отверстии, м;

А - к cosa - л/Г- к2 sin a-, В - к sin а- л/Г- к2 cosa; к = —.

d,

С учетом принятых обозначений, неравенство (4.8) будет иметь вид:

А$\П(Р + Всоъф + ВЯ.п-ф2 + АКп ]-ф\

(4.9)

* V £ £

При высеве плоских семян (томаты шлифованные, перец сладкий) доста-т очную силу присасывания определяют из неравенства:

Р > 0,5mcgcosa

А^т<р+ В[со?,<р + -л-{А, -2/ 118а)ф2 +~(в, -2/ ')<р 8 8

(4.10)

где В\= tga+ /"', f - коэффициент трения скольжения семян

по поверхности присоски в зоне присасывающего отверстия.

В правой части дифференцированного уравнения (4.9) приведены колебания семени вместе с присоской, которые можно аналитически решить относительно параметра (р через кинематические параметры привода присоски -четырехзвенного кривошипно-шатунного механизма, в котором некоторые математические символы обозначают:

- межценгровое расстояние между осью качания присоски и осыо вращения кривошипа, м;

/ - длина шатуна, м; г - радиус кривошипа, м; Я - радиус кулисы, м

R„ - радиус траектории центра тяжести семени, удерживаемого присасывающим отверстием присоски, м;

<a=const - угловая скорость кривошипа, 1/с; <р - угловая координата присоски, град..

Кинематические параметры четырехзвенного механизма определяются по известным формулам:

- максимальный угол колебаний кулисы (также и присоски)

L2 + R2-(r + l)2 L2 + R2 -(I-г)2 <рта = arceos------- arceos--—j--, град; (4.11)

- угловая скорость кулисы (а также присоски)

Г sinffi7к - (О, )

ф = 6)-----1/с; (4.12)

R Rsmypj -щ)

угловое ускорение кулисы (а также присоски):

™Á<Pk + - . 2ук - V2 - - .i -- -{со ф = гоз 2____1 Rsmfa-n) _____^ 1/с2

Rsin(<p2 -

(4.13)

где (fe - угловая координата кривошипа, град.;

<р2 - угловая координата кулисы относительно прямой, соединяющей центр вращения кривошипа и центр качания кулисы, равная (рц, здесь Щ - постоянный угол между вертикалью и прямой, соединяющей центры вращения кривошипа и кулисы и равный 27° в конструкции привода сеялки ТОСТ-1,2.

(р\ - yi ловая координата шатуна в мгновенном центре его колебаний, град., определяется по формуле:

.2 '"sin (рк

sin arctg — -rsine>¿ гсоъф.+L

со, - arctg- —*--arceos----г -----,град.

rcos^+Z 2lr____sm^

r sin Wk r sin arctg + L

rcos<pk

(4.14)

í/2-/?2)sin arctg-r^-^ ' /-COS01 + L

<Р\-(Рг=---T--—---- град.

2Rrsm(ph

^-R^narctg-'™*-

_ rcoñ<pk +L

_____ >град

Подставив значения угловой скорости (4.12) и углового ускорения (4.13), и с учетом формулы угловой координаты шатуна (4.14) и формул (4.15), получаем аналитическое решение дифференциального уравнения колебаний присоски высевающего аппарата:

Р>т-^А яп(р -(р0) + Всо^(р-(р0)+ВЯп - ф2 + АЯа^, (4.16)

Графоаналитический анализ кривошшшо-шатунного механизма покрывает, что при выбранных конструктивных размерах звеньев механизма: Я=0,1 м, г=0,05 м, /,=0,284 м и /=0,27 м, <,д1=27°, ^тах=60,2° максимальное угловое ускорение присоска имеет место при ^15° и ^=75°, угловые координаты кривошипа, при этом, равны ^=-15,5° и ^=162,5°, а угловая координата шатуна в крайних положениях равна ^>1=162,5°.

Подставив численные значения параметров в формулу (4.13), определим максимальное угловое ускорение присоски при г/г-] 5° и 75° и угловой скорости кривошипа 12,56 с"': фтдх =+74,6 рад/с2 при ^15°, фтм =-74,6 рад/с2 при 9*^75°. Угловая скорость присоски в крайних положениях равна фтт =0 рад/с.

Подставив в неравенство (4.16) числовые значения (р= 15°, фтт =0 рад/с, фтт — 74,6 рад/с2, а также значения постоянных /1=0,32, В=-0,2, определенных при «=30н, £=0,75, получим:

Р=0,574

Реальная форма семян отличается от расчетной сферической формы, что иногда влечет к неполному перекрытию присасывающего отверстия, а также возникновения бокового трения выносимого семени о поверхность соседних семян в лотке и, наконец, уменьшает вероятность надежного попадания семени в зону присасывания. Поэтому силу присасывания семян к отверстию необходимо принять равной силе веса семени самой крупной фракции данной культуры, т. е.

Н (4.17)

Величина создаваемого вакуума внутри присоски определяется по формуле:

и = 4-^Ц-,Н/м2. (4.18)

слг/0

Так, для семян капусты белокочанной, имеющей средний вес семени 35-10"6,Н, диаметр присасывающего отверстия равен 0,8-10'3 м, коэффициен! перекрытия присасывающего отверстия одним семенем, равный с=0,8. .0,9, тогда необходимое разрежение воздуха внутри присоски должно быть:

Н-82, Н/м2 (Па).

Дтя семян томатов и перца, имеющих средний вес одного семени 36-Ю^Н, и коэффициент перекрытия присасывающего отверстия 0,7, минимальное разрежение воздуха в присоске должно быть 135 Па.

Сеялка ТОСТ-1,2 имеет 20 высевающих присосок, поэтому суммарное разрежение воздуха в присосках при высеве семян, например, перца будет равно 2,7 кПа.

Определение параметров клапанного механизма

Клапанный механизм высевающего аппарата модернизированной сеялки ТОСТ-1,2 состоит из обечайки 1 с конусной воронкой 2 и вала 3 (рис. 4.9). Обечайка снабжена высевающим отверстием 4. Вал 3 снабжен фигурным пазом, размещенным под конусной воронкой 2. В закрытом положении устройства (Вид а) семена через воронку 2 падают на дно фигурного паза в валу 3 и, отражаясь несколько раз от дна и от обечайки, занимают положение 5 в клиновидной емкости. В открытом положении устройства (Вид б) семена соскальзывают с обечайки под собственным весом и свободным полетом падают на клиновидное дно борозды.

В фазе соскальзывания семян с поверхности обечайки, наклоненной к горизонту под углом а, на семя действуют силы в проекциях на оси Хь Yi: mg-соьа, Н, и/mg'sina, II.

Дифференциальное уравнение движения семени вниз по наклонной плоскости обечайки (цилиндрическую поверхность обечайки на длине дуги, равной диаметру семени d, принимаем за плоскость) имеет вид:

тх = mgsina- fingcosa, (4.19)

где т - масса семени, кг; g =9,81 м/с2 - ускорение свободного падения;/ - коэффициент трения скольжения семян по поверхности обечайки; а - угол между радиусом, проведенным через центр семени перпендикулярно к плоскости скольжения, и горизонтальной осью симметрии вала.

Проведя первое и второе интегрирование уравнения (4.19), определяем соответственно скорость скольжения и величину перемещения семени по наклонной плоскости.

Постоянные интегрирования С, и С2 определяются из начальных условий движения семени: при t= 0, семя находилось в покое, поэтому Х=0, х-0, следовательно С | и С2=0.

Необходимо определить начальную скорость семени в конце фазы его скольжения и в начале его свободного падения в борозду, т. е. при х = 0,5d. Определим время движения семени на пути 0,5d:

I d

t= ----,с.

]jg(tga-f)cosa

Тогда скорость семени в начале фазы свободного падения будет равна:

К ~ yjdg(tga - f)cosa, м/с (4.20)

Окружная скорость вала должна быть больше или равна (7ц, чтобы исключить влияние диаметра семечки d на траекторию свободного падения семян, т. е.:

__47 _

rco > л]dg(tga - /)cosa (4.21)

Отсюда, угловая скорость вала в момент открытия высевающего отверстия должна превышать значение, определяемое по формуле:

б) > ~^jdg(tga - /) cos а, с1 (4.22)

г

При г=0,015 м, сЬ0,004 м, £=9,81 м/с2. «=600,/Ч),73 минимальное значение угловой скорости вала в начальный момент высева семян должно быть более 9с"1.

В фазе свободного падения семян в борозду на единичное семя действует лишь сила веса т%, Н; скорость Ус и скорость Уы (сопротивлением воздуха можно пренебречь, так как скорость витания семян овощных рассадных культур находится в пределе 3,5...6,3 м/с, а для случая падения семян с высоты до 0.05 м максимальная скорость падения не превышает 1 м/с).

Тогда дифференциальные уравнения свободного падения семени имеют

вид:

тх = 0. ту - mg.

Скорость падения семени определяется интегрированием дифференциальных уравнений при начальных условиях: (=0 X — — = V , тогда:

х = зт«Л/^(^а-/)со5а - ¥м

(4-23)

(4.24)

у = cos a-Jdg{tga - /)cosa + gt Траектория полета семян описывается уравнениями: х = tsmot-^dg(tga - /)cosor - Vj

yéteos ajdg(tga - f) cos a + ^ gt

Условие, при котором обеспечивается падение семян в борозду с нулевой относительной скоростью будет

VM - sin a-Jdg(tga - /)cosа (4.25)

Допустимая рабочая скорость движения сеялки ТОСТ-1,2, при которой обеспечивается высев семян на грядку с нулевой относительной горизонтальной скоростью, при принятых выше параметрах d, a, f, равна 0,12 м/с (0,43 км/ч).

Опыт ное подтверждение научной гипотезы о биологической системе посева семян, обеспечивающей их эксергетическое развитие в фазе прорастании, а также результатов теоретических исследований

Сеялка ТОСТ-1,2 и электрошасси ШМТ-9, изготовленные на Опытном машиностроительном заводе ВИСХОМ, испытаны в хозяйстве «Правокубан-

ский» Ставропольского края на выращивании рассады томатов сорта «Ранний-83» для открытого фунта.

При машинопригодной рассаде соблюдали равенство темна посева семян на рассаду и темпов уборки и посадки рассады в открытый фунт. Минимальный афотехнический срок посадки рассады в открытый фунт обычно равен 15 дней. Поэтому рассаду, выращенную в рассадно-овощном комплексе площадью 6 га, необходимо было убрать в течение 15 дней и, соответственно, высевать семена на рассаду надо в таком же темпе, т. е. по 6/15~0,4 га/день. При 8 часовом рабочем дне часовая производительность сеялки не должна превышать 500 м2/ч. Сеялка ТОСТ-1,2 имеет рабочую ширину захвата 1,2 м, коэффициент использования рабочего времени смены 0,8, поэтому рабочую скорость сеялки (элктрошасси ШМТ-9) устанавливали на уровне 0,12 м/с.

В таблице 4.2 приведены результаты измерений посева семян томатов сорта «Ранний-83» сеялкой ТОСТ-1,2. Сеялка ТОСТ-1,2 (вакуум в присоске 3,0 кПа), показала высокое качество односеменного высева - 93% при одном пропуске, коэффициент вариации среднего значения шага высева не превышал 10%.

Таблица 4.2

Равчомерность распределения семян и всходов томатов вдоль борозды и их отклонения от осевой линии рядка

Исследуемый Количест- Количес г- Количест- Равномерность Прямолинейность рас-

материал во гнезд во гнезд во гнезд распределения положения в рядке

(юмаш) с одним с двумя пуст ых, вдоть рядка

семенем, семенами, % X, ±а. V, А, Л±0,5, Д±1,0,

% % см см % см % %

Семена 93 6 1 3,91 0,41 10 0,19 94 6

Всходы 89 3 8 4,4 0.86 19,6 0,3 87 13

(10 суток по-

сле посева)

Следует отметить, что при подготовке семян к посеву они предварительно проходили шлифовку на установке У111-10. Затем семена обрабатывали на установке УОС-1 «Мини». После просушки до соогветс! вующей сыпучести в течение 15 суток проводили закалку семян: 12 ч днем при температуре +25°С, а ночыо на 12 ч помещали в холодильник с температурой минус -1 ,..-3°С.

Наряду с обработанными семенами были посеяны на контрольных участках не обработанные семена 1 -го класса

За счет очищенности и увеличения сыпучести семян их высев по одному сеялкой ТОСТ-1,2 на томатах возрос на 3%, пропуски уменьшились на 4%, а на семенах перца высев по одному возрос на 7%, количество пропусков уменьшилось на 4%.

Распределение растений по площади питания, проросших из обработанных семян, более оптимальное и на 20% превышает аналогичный показатель

всходов необработанных семян. Это подтверждает высокую полевую всхожесть семян, прошедших обработку.

Для опытной проверки эффективности энергосберегающей технологии высева и ступенчатой заделки семян почвой проведены многофакторные эксперименты типа 23. Кодирование и интервалы варьирования независимых переменных приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Кодирование и интервалы варьирования независимых переменных

Наименование уровней варьирования факторов Кодовое обозначение факторов Уровни варьирования факторов 11аименование факторов

X, Х2 X,

Интервал варьирования - 0,2 12 20 Х| - диаметр присасывающего отверстия, мм

Звездный уровень +1,215 0,95 36,58 64,4

Верхний уровень 41 0,9 34,0 60,0 Хг- глубина вакуума в системе; к11а

Базовый уровень 0 0,7 22,0 40,0

Нижний уровень -1 0,5 10,0 20,0

Звездный уровень -1,215 0,45 7,42 15,57 Хз - вес обработанных семян, мкН

Регрессионный анализ результатов многофакторных экспериментов позволил получить уравнение регрессии:

У = 51,6 - 1,23*, - 2,61*2 +1,35*3 + 2,13*? + 3,8*| - 1,98- Х2 + 1,4*2*3

(4.26)

Далее определяли значения факторов Х\, Х2, Хт, при которых точность высева семян вдоль рядка находится в пределах Л/ф±0,3 М^, что соответствует коэффициенту вариации среднего значения ша! а высева семян вдоль рядка, равному К-10%.

Взяв частные производные дША",, дУ/дХ2 и дУ/дХг и решая их, получили: *,=0,36; *2=0,31; *3=0,49.

Подставив полученные значения X], Х2, Х\ в уравнение (4.26) определили оптимальное значение шага высева семян, равное 51,276 мм.

Для визуализации уравнения регрессии с помощью компьютерной программы МАТЪАВ 6,5 составлены уравнения поверхностей отклика в командном режиме при *з=0, А2=0 и Л^О.

Ниже, в качестве примера, на рис. 4.10 показана поверхность отклика и контурные линии ее сечений, характеризующие влияние диаметра присасывающего отверстия (фактор *,) и глубины вакуума в пневмосистеме сеялки ТОСТ-1,2 (фактор Х2) на расстояние между семенами вдоль рядка

10 16 22 Х2,кРа

28 34

.а уяпяктеоизующая влияние диаметра присасы-

вдоль рядка У.

г.^ччияр! что заданный ша] Визуальное исследование^ ^

высева

семян томатов весом ^ »* - ваКуума в пневмосистемс

Кроме того, построены: сечений, характеризующие

. поверхность высевающего аппарата сеялки

влияние диаметра .фисасьшающео^ рассх0Янис между семенами

ТОСТ-1,2 (фактор X) и веса семян (фактор л,) на р

вдоль рядка У; ее сечений, характеризующие

-поверхность отклика и контурньюлинииеесч ^ ТОСТ-1,2

влияние глубины вакуума «е между семенами вдоль

(фактор Хг) и веса семян (факгор X,) на расстояни

рядка Г, и другие эксперимент по определению точности

Проведен также многофакгорныи экспери ТОСТ_,,2, характе-

выссва семян томата сорта ^^^^ щага высева, ризующейся коэффициентом ^^^^ независимых факторов Условия кодирования и интервал варьин

приведены в табл. 4.3.

В результате регрессионного анализа результатов многофакторного эксперимента получено уравнение регрессии, адекватно описывающее вектор-функцию отклика биотехнологической системы на изменение коэффициента вариации шага высева семян под воздействием факторов: диаметра присасывающего отверстия Х\, глубины вакуума Хг, и веса семян томата Х\ У2 = 8,88- 1,42*1 -0,6*3 + 1-63Х,2 + 1,11*22 + 0,72 *32 - 0,54 Л^ -0,55*2*3(4.

27)

По этому уравнению регрессии построены несколько поверхностей отклика.

В связи с малым объемом диссертации в виде научного доклада эти поверхности здесь не приведены - достаточно полно они освещены в работе [25].

На основе теоретического и визуального анализа уравнений регрессии, полученных опытным путем и адекватно описывающих вектор-функции отклика биотехнологическсй системы посева семян в теплице установлено:

- семена томатов, прошедшие комплексную предпосевную подготовку, обеспечивают высокую точность высева пнвмомеханическим высевающим аппаратом сеялки ТОСТ-1,2: заданный шаг высева 5 см и минимальный коэффициент вариации шага высева 8,8% обеспечиваются коэффициентом внутреннего трения семян 0,8-1,4, весом 30-65 мкН при диаметре присасывающего отверстия 0,8 мм, глубине вакуума в пневмосистеме сеялки 25-35 кПа;

- за счет очищенности и увеличения сыпучести семян их высев по одному сеялкой ТОСТ-1,2 на томатах возрос на 3%, пропуски уменьшились на 4%, а на семенах перца высев по одному возрос на 7%, а количество пропусков уменьшилось на 4%;

- влияние внутреннего коэффициента трения семян на величину шага высева и на коэффициент его вариации сказывается незначительно, однако его уменьшение резко снижает количество двоек и пропусков, т. е. повышает точность односеменного высева;

- влияние плотности семян на величину шага высева и на коэффициент его вариации имеет параболическую зависимость с оптимумом в пределе 20-25 мкП;

- влияние диаметра присасывающего отверстия на величину шага высева и па коэффициент его вариации имеет также параболическую зависимость с оптимумом в пределе 0,7-0,8 мм;

- влияние глубины вакуума в пневмосистеме сеялки на величину шага высева и на коэффициент его вариации имеет параболическую зависимость с оп I имумом в пределе 21-31 кПа.

Кроме указанных выше экспериментов, проведены опыты по динамике прорастания семян гомата сорта «Волгоградский-5/95» при различных усилиях прикатывания почвы и различных режимах тепловой обработки посевов.

В табл. 4.4 приведено кодирование и интервалы варьирования независимых переменных, а в алгоритме (он здесь не показан) - результаты экспериментов.

Таблица 4.4

Кодирование и интервалы варьирования независимых переменных

Наименование уровней варьирования факторов Кодовое обозначение факторов Уровни варьирования факторов Наименование факторов

X, х2 Хз

Интервал варьирования - 10,0 0,5 3,0 Х| - глубина заделки семян, мм

Звездный уровень + 1,215 27,15 2,11 9,65 Х> - давление прикатывающего катка на почву, Н/см2

Верхний уровень +1 25,0 2,0 9,0

Базовый уровень 0 15,0 1,5 6.0 Х3 - экспозиция огневой культивации посевов, с

Нижний уровень -1 5,0 1,0 3,0

Звездный уровень -1,215 2,85 0,89 2,35

В результате регрессионного анализа опытных данных получено уравнение регрессии, адекватно описывающее вектор-функцию отклика биотехнологической системы эксергического развития всходов в фазе их прорастания: Г = 4,6 + 0,73Х, + 0,55^ - 0,49*3 + 0,25^ + 0,32Л'? - 0,3*1 + 0,21Х,Х2

(4.28)

Поверхность отклика и контурные линии ее сечений, характеризующие влияние глубины заделки семян сеялкой ТОСТ-1,2 (фактор Х\) и удельного давления прикатывающего катка (фактор Х2) на динамику прорастания семян У2 показана на рис. 4.11.

Визуальное исследование поверхности отклика показывает высокую динамику прорастания (оранжерейной всхожести) семян (У2=4 суток) при толщине почвы над семенами 5 мм и прикатывании посевов с удельным давлением катка сеялки 1,25 Н/см2. Из найденного оптимума динамики прорастания семян при сочетании факторов, обозначающих глубину заделки семян и усилие при-катывапия посевов, вытекает важный агротехнический прием при возделывании машинопригодной рассады для открытого грунта - бороздки при посеве семян необходимо заделывать почвой ступенчатым способом: при посеве - на 5 мм, а по мере прорастания семян при каждом поливе послойно наращивать толщину почвы над семенами, стимулируя тем самым рост дополнительных корней у всходов.

Исследуя конгурные линии поверхности отклика на координатной плоскости X,, 0■, Лл, наблюдается закономерность: при увеличении удельного давления прикатывающего катка сеялки до 1,25 Н/см" повышается дружность всходов семян (динамика прорастания), при дальнейшем увеличении удельного давления прикатывающего катка на почву, динамика прорастания ухудшается по гиперболической зависимости.

55

Рис. 4.11. Поверхность отклика, характеризующая влияние глубины заделки семян X] и удельного давления прикатывающего катка Х2 на динамику прорастания семян У2.

При увеличении глубины заделки семян от оптимального значения 5 мм до 30 мм и постоянном усилии прикатывания посевов динамика прорастания семян ухудшается по гиперболической зависимости.

Кроме этой поверхности отклика в работе [25] приведены другие поверхности отклика по динамике прорастания семян.

Многофакторный эксперимент по изучению влияния различных факторов на динамику прорастания семян подтверждает научную гипотезу о законе действия факторов роста в фазе прорастания, математическая модель которого описывается уравнением (2.4).

Известно, что всходы, прорастая сквозь ростковый слой почвы, встречают на своем пути комочки или уплотненные участки, задерживаются на какое-то время в росте, набирают при этом силу, и, если нельзя преодолеть преграду по прежнему направлению роста, то обходят препятствие со стороны наименьшего сопротивления. Это явление в природе называют дивергенцией всходов, т. е. отклонение появившихся на поверхности всходов от места первоначального закрепления корневой системы в почве. Явление дивергенции всходов отрицательно влияет на свойства машинопригодности рассады для открытого фунта - увеличивает дисперсию (рассеивание) расстояний между рассадой вдоль и поперек рядка. Снизить дивергенцию всходов можно ступенчатой заделкой семенных бороздок почвой, уменьшением удельного давления прикатывающего катка и экспозицией (временем) тепловой обработки посевов огневым культиватором. Шоковый профев семенного слоя семян повышает их биоэнергетический ресурс и ускоряет прорастание. Поэтому важно изучить влияние указанных факторов на величину дивергенции всходов и найти условия, при которых она становится минимальной. Такую задачу можно решить путем проведения многофакторного эксперимен га.

Условия кодирования и варьирования факторов эксперимента приняты такими же, как в предыдущем эксперименте (табл. 4.4).

В результате регрессионного анализа опытных данных получено уравнение ретрессии, адекватно описывающее вектор-функцию отклика биологической системы на дивергенцию всходов в фазе их прорастания:

У2 = 5,9 + 2,5*, + 0,9Х2 + *2 -1,1 *32 + 0,65*, *2 (4.29)

IIa рис. 4.12 показана поверхность отклика и контурные линии ее сечений, характеризующие влияние глубины заделки семян сеялкой ТОСТ-1,2 (фактор *:) и удельного давления прикатывающего катка (фактор *2), на дивергенцию всходов семян томатов У2.

Рис. 4.12.

Поверхность отклика дивергенции всходов от изменения глубины заделки семян X, и давления прикаты-вания Х2.

Визуализация поверхности отклика, характеризующей дивергенцию всходов представляет собой плоский гиперболоид, расположенный под углом к горизонтальной координатной плоскости. Примечательно, что оптимальные значения удельного давления прикатывающего катка сеялки *2=1,25 Н/см2, при которых достигаются минимальные значения дивергенции всходов, полностью соответствуют и условиям достижения высокой динамики прорастания семян. Минимальная дивергенция всходов У2=3 мм обеспечивается при глубине заделки семян 5 мм. Увеличение удельного давления прикатывающего катка сеялки приводит к увеличению дивергенции всходов по гиперболической зави-симосш, а увеличение глубины заделки семян приводит к увеличению дивергенции всходов в прямопропорциональной зависимости.

Кроме этой поверхности отклика в работе [25] приведено еще несколько поверхностей откликов по дивергенции всходов семяп.

Испытания сеялки ТОСТ-1,2 на высеве семян томатов показали высокую равномерность и выровненность рассады томатов к момету ее уборки и пересадки. Коэффициент неравномерности вдольрядного распределения семян томатов не превышал 10%, а рассады - 20%, что удовлетворяет требованиям механизированной уборки рассады с одновременной зарядкой ее в ленточные кассеты для автоматических рассадопосадочных машин.

5. Уход за выращиванием машинопригодной рассады

Концепция формирования машинонригодиых свойств рассады

в фазе ее вегетативного развития

Технологическая база безгоршечной рассады, с точки зрения ее машино-пригодности, должна быть выровненной но высоте, высота от поверхности почвы до точки роста рассады должна быть не мене 80 мм, при этом стебель рассады не должен повреждаться, когда его изгибают по радиусу кривизны 30...50 мм. Стебель рассады в зоне его черешка должен быть прочным на разрыв и сплющивание. Усилие разрыва стебля должно превышать усилие теребления рассады, а сопротивление стебля сплющиванию должно превышать усилие теребления, поделенное на коэффициент трения стебля рассады по рабочей поверхности теребильного органа.

Существующая технология выращивания безгоршечной рассады не предусматривает каких-либо операций по формированию машинопригодных свойств рассады. Из-за неблагоприятных фитоклиматических условий выращивания рассады к началу уборки и пересадки она зачастую вырастает хрупкой и неравномерной по высоте и диаметру стебля.

Внедрение комплексной механизации рассадного способа возделывания овощных культур невозможно без целенаправленного формирования машинопригодных свойств рассады. Умение управлять параметрами рассады позволит овощеводам сохранять ее машинопригодность в возрасте от 30 до 60 суток, задерживать рост рассады в случае непогоды или создавать значительный забег в ее развитии для получения сверхраннего урожая.

В естественных условиях растения подвергаются различной механической нагрузке от ветра и дождя, т. е. они подвергаются фитотреннингу.

Фитотреннинг растений, как природное явление, недостаточно изучено с точки зрения его влияния на рост растения и на формирование его физико-механических свойств. Но его объективное существование говорит о том, что в генной программе развития прямостоящих растений предусмотрены пути сохранения устойчивости растения в вертикальном положении. Фитотреннинг, как а]ротехнический прием целенаправленного формирования машинопригодных свойств рассады, экологически чистый процесс, улучшает фитоклимаг растений, исключает развитие гнилостных бактерий в гуще растений, выравнивает высоту рассады. Это природное явление необходимо использовать при выращивании в теплицах маши попригодней рассады овощных культур для открытого грунта.

Фитотреннинг, как агротехнический прием целенаправленного формирования машинопригодных свойств рассады, экологически чистый процесс, улучшает фитоклимат растений, исключает развитие гнилостных бактерий в гуще растений, выравнивает высоту рассады. Это природное явление необходимо использовать при выращивании в теплицах машинопригодной рассады овощных культур для открытого грунта.

Фитотреннинг растений включает: знакопеременную ветровую нагрузку, изгибающую стебель растения, ветви и черешки листьев кроны в различных направлениях, экспозицию нагрузки и деформаций, повторность нагрузки и деформаций за сутки и за период вегетации.

На основе исследований физиологии растений установлено, что под действием постоянной нагрузки на растения листья и стебли его деформируются. После снятия нагрузки листья и стебель медленно выпрямляются до первоначального положения. Время восстановления первоначального положения растений при снятии нагрузки можно назвать временем релаксации в ч. Во время деформации и релаксации стебля в генетической памяш деформируемых клеток активизируются программы повышения устойчивости путем утолщения и повышения упругости листьев и стебля в плоскости знакопеременной нагрузки. На построение новых клеток и упрочнение их оболочек используются строительные материалы в виде продуктов фитосинтеза и камбий. Во время деформации листьев и стебля устьицы листьев закрываются, прекращается дыхание и замедляется рост рассады Если время релаксации рассады можно измерять методом визуального наблюдения, то время упрочнения и повышения упругости деформируемых частей рассады зафиксировать практически невозможно. Априорно можно считать, что фитосинтез во время релаксации не прекращается, поэтому послерелаксационное время, затрачиваемое растением на повышение прочности и упругости деформируемых частей меньше времени релаксации. Таким образом, за время одного фитотреннинга рост растения задерживается на к1р ч.

На основе природного явления и многолетних наблюдений сформулирована научная гипотеза о влиянии фитотреннинга рассады на формирование ее машинопригодных свойств:

- периодические наклоны растения в разные стороны при определенной их интенсивности задерживают рост, но не замедляют развитие рассады, при этом происходит упрочнение стебля и повышение ее упругости;

- задержка роста рассады имеет гиперболическую зависимость от интенсивности фитотреннинта:

где Н - высота рассады определенного возраста, не подвергавшейся фитотрен-нишу, см; к - высота рассады того же возраста но прошедшей интенсивный фитотреннинг, см; " суммарное время фитотреннинга рассады за время Т

ее вегетационного развития; к/Ь~К - коэффициент пропорциональное I и;

- коэффициент задержки роста рассады ку^Н/к зависит от интенсивности фитотреннинга рТ, т. е. доли суммарного времени, затраченного растением

на восстановление вертикального положения после каждого наклона стебля рассады за время ее вегетативного развития

(5.1)

т)

(5.2)

где К - коэффициент пропорциональности, определяемый опытным путем.

Экспериментальное обоснование оптимальных параметров фитотреннин-га рассады овощных культур

В тепличных условиях воспроизвести природное явление - фитотреннинг рассады, можно путем перемещения по растущей рассаде, например металлической или деревянной наклонной пластины, загнутой на концах в виде лыжи. Пластину делают пустотелой с отверстиями снизу, чтобы можно было продувать воздухом обрабатываемые грядки с рассадой.

В каждом случае назначаются свои режимы фитотреннинга. К ним относятся: количество проходов лыжи в сутки над одним и тем же растением (фактор А']), величина наклона рассады, задаваемая высотой расположения лыжи над поверхностью почвы, в см (фактор Х2), время удержания растения в наклоненном состоянии в с (фактор Х}).

Опытное подтверждение концепции формирования машинопригодных свойств рассады методом ее фитотреннинга в фазе вегетативного развития проводилось с помощью многофакторного эксперимента.

Факторы варьирования в соответствии с матрицей в алгоритме многофакторною эксперимента настройкой лыж, закрепленных на раме и имеющих регулировку высоты их расположения над поверхностью почвы (фактор Х2). Рама с лыжами навешивалась на тепличное мостовое электрошасси ШМТ-9 Лыжи регулировались по длине, что обеспечивало заданную выдержку времени наклоненного состояния рассады (фактор X3) при постоянной скорости движения электрошасси 0,12 м/с. Для обеспечения уровней варьирования фактора Х\ предусмотрены лыжи длиной 1,25 м; 1,2 м; 0,96 м; 0,72 м; 0,67 м. Лыжи были пронумерованы в соответствии с номерами рядков. Каждая лыжа взаимодействовала с одним и тем же рядком рассады на трех опытных участках в течение всею эксперимента. Количество проходов лыжи над одним и тем же рядком (фактор Х\) регулировалось подъемом лыжи в крайнее верхнее положение, исключающее контакт лыжи с растением.

По результатам замеров вычисляли средние значения показателей, сред-неквадратические отклонения и коэффициенты вариации.

В табл. 5.1 приведены условия кодирования факторов, отражающих управляемые режимы фитотреннинга.

В отдельной таблице приводился алгоритм многофакторного эксперимента влияния фитотренниша на высоту рассады томатов сорта «Волгоград-ский-5/95», результаты эксперимента и их обработки (он здесь не приведен).

Таблица 5.1

Кодирование и интервалы варьирования независимых переменных

Наименование уровней варьирования факторов Кодовое обозначение факторов Уровни варьирования факторов Наименование факторов

X, Х2 Х3

Интервал варьирования - 0,5 2,0 2,0 X] - количество наклонов рассады, шт/сутки

Звездный уровень + 1,215 21,07 10,43 10,43 Х} - расстояние о г поверх-

Верхний уровень +1 20,0 10,0 10,0 ности почвы до плоскости наклонителя, см

Базовый уровень 0 15,0 8,0 8,0 Хз - время задержки рассады в наклоненном положении, с

Нижний уровень -1 10,0 6,0 6,0

Звездный уронень -1,215 8,92 5,57 5,57

В результате кореляционно-рсгрессионного анализа результатов опыта получено уравнение регрессии второго порядка (5.3). У, = 24,4 - 2,82X, - 0,95*3 + 4,4ЛГ,2 + 2,11X1 + 1,1Х32 + 1,1*,*2 - 0,96*,*3

(5.3)

Далее определяли оптимальное значение высоты рассады К(0р(, прошедшей интенсивный фитотреннинг с режимами А^ор!» *2орь ^Зорь Эти режимы определялись методом составления системы уравнений из частных производных уравнения регрессии (5.3):

Решая систему уравнения, находим: *(ор1-0,4 или 17 наклонов в сутки; А^ор! ;=0,1 или 7,8 см; *зо[,(=0,6 или 9,2 с. Подставив кодированные значения оптимальных факторов в уравнение (5.3), находим оптимальное значение высоты рассады: Уюр[=24,\ см.

Визуальное исследование вектор-функции отклика, описываемой уравнением регрессии (5.3), проведено методом фиксации одного из факторов на нулевом кодированном уровне. Таким образом, вектор-функции отклика (5.3) визуализируется тремя поверхностями отклика.

Вид поверхности оислика (рис. 5.2) при*=0 описывается уравнением

у, = 24,4 - 0,95*з + 2,77*| + 1,1*| Исследуя поверхность отклика и ее контурные линии на рис. 5.2 можно сделать следующие выводы.

Х2 С1Л

Рис. 5.2 Изменение высоты рассады от режимов фитот-реннинга: величины наклона рассады Х2 и времени экспозиции рассады в наклоненном положении Х-\

Анализ рассады юматов в возрасте 60 сугок, прошедшей интенсивный фитотреннинг показал, что она имеет высоту от корневой шейки до ростовой точки 24-25 см, а контрольная рассада, не проходившая фитотреннинг - 40 см. Стебель рассады после фитотреннинга, в течение которого наклоны велись в одной плоскости (вдоль рядка), имеет овальное сечение, овал вытянут в плоскости наклонов стебля и равен 9 мм. Сечение стебля в зоне его деформаций увеличилось в 1,5 раза по сравнению с сечением стебля в том же месте у контроль! " -

Рис.5.3. Вид рассады томатов в возрасте 60 суток. Рассада слева от линейки подвер1алась фитотреннингу 40 суток.

Сопротивление стебля разрыву в зоне его деформаций составило 310±8,7 Н/см2, т. е. в 1,5 раза выше. Увеличилось также сопротивление стебля сплющиванию - 79±3 Н/см (53+2,7) Н/см - сопротивление сплющиванию стебля контрольной рассады. Значительно возросло усилие теребления рассады, подвергшейся фитотреннингу. Оно составило 18 Н по сравнению с 6 Н у контрольной рассады. Причиной тому является более мощная корневая система у рассады, подвергавшейся фитотреннингу. Упругость стебля после фитогреннижа 1акже возросла: критический угол отклонения стебля от вертикали 70°-80° (у контрольной рассады 35°-40°).

Результаты опыта подтвердили гипотетическое предположение о возможности формировать матинопригодные свойства рассады путем применения фитотреннинга.

Если зафиксировать на нулевом уровне фактор Х2=0. то получим следующее уравнение поверхности отклика:

У, =9,7- 1,39Хп - 0,37 Х3 + 2,09 Х^ + 0,59X* - 0,65 Х{Х}

При фиксации на нулевом уровне фактора Л^=0 получим следующее уравнение поверхности отклика

У, = 9,7 - 1,39Х, -0,28Х2 + 2,09X2 + 1,54Х2 + Ъ,65ХхХъ

Поверхности отклика по этим уравнениям регрессии подробно описаны в работе [25].

В результате проведенных опытов по формированию машинопригодных свойств рассады томатов, начиная от предпосевной обработки семян и заканчивая фитотреннингом рассады, определены биологические, технологические и физико-механические свойства рассады, удовлетворяющей требованиям ее механизированной уборки и посадки в открытый грунт.

В таблицах 5.2, 5.3 и 5.4 приведена харак1ерисгика рассады томатов, выращенная при применении фитотреннинга. Такие же опыты проведены по семенам капусты белокочанной, перца и баклажан.

Результаты реализации биотехнологической системы (БТС) машинопригодных свойств рассады для открытого грунта являются исходными данными для разработки перспективных технологий и технических средств комплексной механизации рассадного способа возделывания основных овощных культур.

Таблица 5.2

Биологические свойства машинопригодной рассады для открытого грунта

Наименование культуры Возраст, суток Биомасса, грамм Выход, шт/м2 Стебель, кривизна, мм

Капуста б/к 60 25+5 392 +10

Томаты 60 35+5 400 ±5

Перец 60 15±3 395 ±5

Баклажан 60 20±5 396 ±5

Таблица 5.3

Технологические свойства машинопригодной рассады для открытого грунта

Наименование Точность Выровнен- Диверген- Высота от поч-

культуры размещения ность по вы- ция, см вы до точки

в рядке, % соте, % роста, см

Капуста б/к 20 15 ±2 10±2

Томаты 19 10 ±1,5 19+2

Перец 15 12 ±1 18±2

Баклажан 17 14 ±1 19±2

Таблица 5.4

Физико-механические свойства машинопригодной рассады для открытого

грунта

Наименование культуры Усилие вер-тикаль-ного теребления, H Прочность стебля в зоне черешка на разрыв, НУсм2 Сопротивление стебля в зоне черешка сплющиванию, Н/см Средний диаметр стебля в зоне черешка, мм

Капуста б/к 15+3 200±10 50±5 5±1

Томаты 18+2 220+11 80±5 7+1

Перец 12±3 195±10 70+5 5±1

Баклажан 12±3 250112 70±5 5±1

6. Машинопригодная рассада - основа комплексной механизации и автоматизации рассадного способа возделывания овощных культур

Технологическая взаимосвязь последовательных операций возделывания овощных культур рассадным способом

В результате теоретических и экспериментальных исследований биотехнологической системы формирования машинопригодных свойств рассады для открытого грунта разработана энергосберегающая технология, включающая предпосевную обработку семян, посев и уход за посевами в фазе прорастания семян и за рассадой в фазе ее вегетативного развития. Определены оптимальные технологические режимы и допускаемые пределы их колебаний Определены параметры матинопригодности объектов механизации, созданы средства механизации, разработана таблица, в которой освещены процессы и техноло-тические операции энергосберегающей технологии, технологические режимы,

характеристика машинопригодности объектов механизации и средства механизации для осуществления предлагаемой технологии.

Преимущества новой технологии выращивания рассады для открытого грунта обеспечивают:

- единый технологический цикл с последовательным формированием машинопригодньгх свойств объекта механизации, включающий предпосевную подготовку семян, подготовку почвы в теплице, точный высев и уход за рассадой с подготовкой ее к механизированной уборке и последующей посадке автоматическими рассадопосадочными машинами;

- все технологические операции последовательно формируют машино-пригодные свойства рассады;

- все технологические операции направлены на создание оптимальных условий реализации генетической программы растения на эксергическом уровне, т. е. максимальным коэффициентом полезного использования собственных биоэнергетических ресурсов и ресурсов внешней среды;

- каждая предыдущая технологическая операция подготавливает технологическую базу для механизированного выполнения последующей операции, в результате чего весь технологический процесс отвечает требованиям комплексной механизации и автоматизации;

- технология позволяет адаптироваться под любые экстремальные случаи: задержка сроков начала посадки рассады в открытый грунт из-за погодных условий, организационных трудностей при уборке и посадке рассады, или, наоборот, конъюнктура рынка диктует другой график посадки рассады, чтобы урожай созрел в нужные сроки, а также адаптироваться под любые организационные формы и годовые объемы производства рассады для открытого фунта;

- отвечает экологической чистоте техноло1 ических процессов.

Мостовая система земледелия в теплицах, обеспечивающая технологическую взаимосвязь от посева семян до посадки рассады

Преимущества новой технологии наиболее эффективно реализукмея при мостовой системе земледелия в рассадно-овощных комплексах. Суть мостовой системы земледелия состоит в том, что за технолог ическую базу при выполнении всех производственных операций в теплице принимают горизонтально установленные железобетонные или металлические дорожки (рельсы), по которым передвигается электрифицированное энергетическое средство, афегаги-руемое со всеми машинами и орудиями, необходимыми для возделывания рассады и других зеленных культур.

Энергетическое средство с одной технологической базой разработано автором, изготовлено и смонтировано в теплице сельхозпредприятия «Кубанский», г. Усть-Джегу га, КЧР , рис. 6.1

Рис. 6.1. Мостовое электрошасси в агрегате с сеялкой точного высева в теплице СП «Кубанский», г. Усть-Джегута, КЧР,

Энергетическое средство, впоследствии названное мостовым электрошасси, обеспечивает высокую точность планировки почвы в теплице, прямолинейность засеваемых рядков, возможность междурядной обработки рассады с минимальными защитными зонами, возможность механизированной обработки и уборки рассады.

В дальнейшем конструкция мостового электрошасси была модернизирована, оснащена переналаживаемым программным устройством, обеспечивающим в автоматическом режиме у торцов теплицы останавливать, поднимать и опускать машины, передвигать их на заданную ширину, задавать требуемую рабочую и холостую скорости движения.

Опытный образец получил марку ШМТ-9, был изготовлен в ВИСХОМе (г. Москва). К шасси ШМТ-9 была изготовлена транспортная 1 слежка для перевозки шасси по соединительному коридору в соседние теплицы, а также полный набор средств механизации для выращивания, уборки и посадки рассады. Основные технические данные электрошасси ШМТ-9 приведены в табл. 6.1. Рассадно-овощной комплекс, обслуживающий овощеводческие хозяйства, возделывающие рассадные культуры на общей площади 300 га, должен выращивать 16 мил. шт рассады к весеннему периоду. Для этой цели у него должно быть не менее 6 га теплиц.

Таблица 6.1

Техническая характеристика мостового электрошасси ШМТ-9_

Показатели Рдиница измере- Значение показате-

нии ля

Назначение Рассадно-овощные теплицы с шириной

пролета 9 м

Источник энергии электросеть 380 В, 50 Гц

Мощность двигателя силового агрегата кВт 4,5

Мощность двигателя передвижной каретки кВт 2x0,75

Тяговое усилие кН 7,5

Рабочие скорости м/с 0,05; 0,1; 0,2

Скорость холостого хода м/с 1,0

Точность копирования прямолинейных траек- мм ±10 мм

торий

Масса кг 1500

Ширина колеи крайних опорных колес м 8,4

Г абариты. длина мм 2800

ширина мм 8600

высота мм 1950

Мощное! ь двигателя транспортной тележки ■кВт 1,5

Скорость передвижения м/с 1,0

Масса кг 600

Габариты: длина мм 2000

ширина мм 3000

высота мм 500

Экономическое обоснование рассадно-овощного комплекса на 16,0 млн. шт рассады для открытого грунта площадью 300 га

В России производство рассады для открытого грунта имеет ряд особенностей по сравнению с ее производством, например, в Голландии или Финляндии:

- во первых, производство носит сезонный характер, в силу чего ему отводится период одного культурооборота в защищенном грунте;

- во-вторых, многозональная структура овощеводства открытого грунта, рассредоточенность его по всем зонам страны делает экономически нецелесообразным чрезмерную концентрацию производства рассады для открытого грунта.

С учетом этих особенностей до 1991 г. овощеводство в России концентрировалось в специализированных овоще-молочно-животноводческих хозяйствах, в каждом из которых под рассадными культурами было занято не менее 300 га. Таких хозяйств в 1990-1991 гг. насчитывалось около 2500, что обеспечивало около 80% потребности населения овощами. Эти хозяйс!ва были обеспечены теплицами и средствами производства рассады, а также шлейфами машин для высадки рассады в открытый грунт и ухода за растениями вплоть до уборки урожая. С началом перехода на мелкотоварное производство многие крупные коллективные хозяйства были реорганизованы в более мелкие фер-

мерские хозяйства В последние годы в РФ доля личных подсобных хозяйств (JII1X) граждан в валовом объеме производства овощей составляет 52%.

Для удовлетворения своих потребностей в рассаде каждое JI11X вынуждено организовать ее собственное производство, а для этого надо строить тепличное сооружение, отапливать его, осваивать агротехнику выращивания рассады и высадки в открытый грунт. При всем этом, перечисленные работы, из-за наличия небольших площадей, выполняют вручную. Для кардинального изменения вопроса возделывания рассады и обеспечения ЛГЕХ, да и боле крупных производителей овощей дешевой, качественной машинопригодной рассадой необходимо создавать специализированные предприятия по выращиванию рассады, которые в течение года будут производить партиями примерно от 30 до 300 млн. шт. рассады Эти предприятия Moiyr быть ориентированы на обеспечение рассадой одного или нескольких районов. Кроме выращивания рассады для овощеводческих хозяйств, таким предприятиям необходимо самим освоить уборку и высадку выращенной рассады в открытый грунт заказчика своей техникой и своими специалистами.

Необходимая площадь Fi геплиц для выращивания рассады, при этом, определяется по формуле:

Fi - —> га (6.1)

кПМЛ,,

где F\i - площадь открытого грунта, занятая под рассадными культурами, га;

fn - средняя площадь питания рассады, высаженной в поле, м2;

f\ - средняя площадь питания рассады в теплице, м2;

Tjj - коэффициент использования площади геплицы;

Г)с - коэффициент всхожести семян рассадных культур;

Т]р- коэффициент, учитывающий выход стандартной рассады с единицы площади теплицы.

Все параметры формулы (6.1) для каждой культуры в отдельности, определяются агрономической службой создаваемого хозяйства. Так, например, для условий Усть-Джегутинского района Карачаево-Черкесской Республики (до перестройки, где овощи в открытом грунте возделывались рассадным методом на площади более 300 га) при выращивании рассады ранних овощей для открытого грунта площадью 300 га и значениях коэффициентов /п =0,25 м2, fj =0,003 м2, Т}[ =0,82, Г]с =0,9, Г)р =0,85, площадь теплиц составляла 6 га.

Перевод производства рассады для открытого грунта на индустриальную основу на базе специализированных рассадно-овощных комплексов сдерживается отсутствием оборудования для предпосевной обработки семян; отбора из общей массы доброкачест венных семян; сеялок точного высева; средств механизации для борьбы с сорняками; мелкодисперсного полива; механи?ирован-ного ухода за посевами и за рассадой; уборки рассады с дальнейшей укладкой в питатели (кассеты) автоматической рассадопосадочной машины и высадки в открытый грунт.

Комплекс машин для механизированного производства и посадки безгоршечной рассады в открытый грунт состоит из 12 наименований, агрегати-руются с модернизированным мостовым электрошасси ШМТ-9, являющимся совместной разработкой ВИСХОМа, Ставропольского СХИ, ГСКБ по машинам для овощеводства, ВНИИО, ГСКБ по машинам для защищенного грунта. Работы завершились созданием экспериментального рассадно-овощного тепличного комплекса с колеей для мостовой системы земледелия в теплицах совхоза Фаустово Воскресенского района Московской области, и изготовлением комплекса машин из 12 наименований.

Качество семян рассадных культур играет решающую роль в эффективном использовании площади теплиц. В идеальном случае 6-и гектарный рассадный комплекс при высококачественных семенах мог бы обеспечить выход рассады на 412 га открытого грунта вместо 300 га, т. е. на 37,3% больше.

Высокое качество семян рассадных культур, особенно их всхожесть и точное распределение по одному вдоль и поперек грядки с одинаковой глубиной заделки семян, является основным условием комплексной механизации выращивания и уборки рассады с дальнейшей автоматизированной высадкой в открытый грунт. В связи с этим, в состав комплекса машин для рассадных тепличных комплексов должно входить оборудование для подготовки семян к посеву всхожестью не ниже 98%. Подготовку семян можно осуществить на специальных установках УОС-1, производительностью до 150 кг/смену, разработанных нами.

Обработку почвы, заделку минеральных удобрений и гербицидов на г чубину 5-10 см производят фрезой ФТ-1,8 производительностью 0,42 га/ч.

Сеялка ТОСТ-1,2 производит точную раскладу единичных семян вдоль и поперек рядка с заданной глубиной при производительности 075 га/ч.

Борьба с сорняками и рыхление междурядий осуществляется в два этапа: сначала грядки обрабатывают огневым культиватором производительностью 0,065 га/ч, затем - роторным рыхлителем-культиватором КРМ-1,8 производительностью 0,13 га/ч Торможение роста рассады, при необходимости, можно достигать фитотреннингом рассады, обрезкой листьев кроны в междурядиях и вертикальной подрезкой корней по центру междурядий.

Выращенная рассада томатов с применением комплекса машин на базе мостового электрошасси в различные юды в тепличных хозяйствах Ставропольского края и имела стандартные показатели: высота - 22-25 см, толщина стебля - 0,5-0,8 см, число листьев 6-7 шт.

Рассаду можно убирать машиной для выборки рассады МВР-4 с одновременной зарядкой ее в ленточные питатели и высаживать в открытый грунт автоматической рассадопосадочной машиной APIIM-6.

С целью подбора более эффективного варианта комплекса машин для производства и высадки безгоршечной рассады в открытый грунт нами были проведены многовариантные расчеты на базе модельного хозяйства, в котором под рассадными культурами было занято 300 га, и имелся 6-ти гектарный рас-садно-овощной тепличный комплекс производительностью 12 млн. шт безгоршечной рассады за один культурооборот. Критерием оценки эффективности

комплекса машин приняты затраты труда на единицу площади теплиц и на 1000 шт рассады.

Агротехника выращивания безгоршечной рассады обеспечивала 100% выход рассады, прш одной для пересадки в открытый грунт, т. е. обеспечить 7]р =1,0.

Эти исходные условия взяты за основу сравнительной экономической оценки вариантов комплексов машин для механизации выращивания и посадки безгоршечной рассады в открытый фунт.

Для сопоставимости экономических показателей условия приняты одинаковыми: годовой объем работ - 6 га закрытого фунта; коэффициент использования площади теплицы щ =0,825; выход рассады с одного га теплицы - 2,0 млн. шт; площадь открытого фунта под рассадными культурами Fn =300 га; норма посадки рассады на 1 га равна 40 тыс. шт рассады.

Как указано выше варианты комплексов машин сравнивали по основному показателю характеризующему степень механизации, т. е. по затратам труда. Такой подход позволил более наглядно оценить уровень механизации и сравнить различные варианты комплексов машин.

« т

-3 - X —"" • п,; (чел.-ч/1000 шт.рассады), (6.2)

где Утр - щатраты труда, чел.-ч/1000 шт.рассады;

Т\ - зафузка средств механизации на /-той операции, га;

WopT - производительность средств механизации (или оператора, рабочего) /-той операции, га/ч.

Результаты расчетов производства рассады по двум наиболее отличающимся вариантам комплексов машин (производственный комплекс машин на базе тепличного трактора Т-45Т и экспериментальный комплекс машин на базе мостового электрошасси UJMT-9), показаны ниже.

В работе [25] подробно описаны все технологические операции; марки и количество машин (человек), занятых на операциях, затраты труда в чел,-ч. на каждую операцию и общие затраты на выполнение всего объема работы.

Анализ итоговых расчетов показал, чю при применении производственного комплекса машин трудозатраты составляют 22833 чел.-ч., у экспериментального комплекса - 10089 чел.-ч. - это снижает трудоемкость работ в 2,26 раза. В пересчете на 1 га теплин трудозатраты составили: в производственном комплексе: 3805 чел.-ч/ia против 1582 чел.-ч/та - в экспериментальном комплексе.

Экспериментальный комплекс машин обеспечивает меньшие удельные трудозатраты на 1000 шт. рассады, составляющие 0,61 чел.-ч против 1,38 чел.-ч при использовании производственного комплекса машин.

Общие выводы и рекомендации.

Решены поставленные задачи теоретических и экспериментальных исследований по разработке и внедрению экологически чистых энергосберегающих технологий и средств механизации производства машинопригодной рассады овощных культур и достигнуты следующие результаты:

1. Разработана научная концепция последовательного формирования машинопригодных свойств рассады овощных культур, включающая:

- комплексную обработку исходных семян, повышающую оранжерейную всхожесть до 99%, энергию прорастания до 83%, сыпучесть семян в 2 раза;

- точный одпосеменной высев семян с заданным шагом (V-8-10%) и одинаковой глубиной борозды 2,5 см, со ступенчатой заделкой борозды рыхлой почвой, с тепловой обработкой посевов, обеспечивающие прорастание семян на уровне эксергии и формирование технологической базы рассады с устойчивыми показателями по точности размещения вдоль рядка (V=19,6%), по минимальной дивергенции всходов (-U...2 см), по динамике хтрорастания семян (5 суток);

- уход за рассадой в фазе ее вегетативною развития, обеспечивающий методом фитотрегшинга формирование технологической базы рассады с устойчивыми показателями по высоте рассады (24 см у 60 дневной рассады)с минимальным коэффициентом ее вариации высоты рассады (V-. 12-15%).

2. Разработана биотехнологическая система формирования биологических, технологических и физико-мсханических свойств рассады овощных культур, с последовательными ее состояниями: повышение посевной юдности семян (БТС N]), повышение точности высева и динамики всходов семян (БТС N2), обеспечение выровненное™ рассады по высоте к моменту ее уборки (БТС N3).

3. Проведены исследования биотехнологической системы повышения посевных качеств исходных семян (БТС Ni), методом mhoi офакторных экспериментов, получены уравнения регрессии, позволившие определить оптимальные режимы предпосевной комплексной обработки семян: время шлифования семян капусты, перца, баклажан - до 30 мин, семян томатов - 60 мин; время замачивания и барботирования всех семян 22-32 ч, при плотности семян 1,1-1,5 г/см3, обеспечивающие оранжерейную всхожесть семян с 67-85% до 98-99%, энергию прорастания семян с 70% до 83%. Методом визуализации поверхностей отклика выявлены зависимости посевных качеств семян от изменения технологических режимов комплексной обработки, установлены допускаемые пределы их изменений.

4. Проведены исследования биотехнологической системы высева семян и ухода за посевами в фазе прорастания семян (БТС N2) методом миогофакюр-ных экспериментов, получены уравнения регрессии, позволившие определить оптимальный диаметр присасывающего отверстия 0,7- 0,9 мм, глубину вакуума в пневматической системе сеялки 25-35 кПа, обеспечивающие односемен-ной высев семян томатов с точностью 85%, с коэффициентом вариации заданного шага высева 8-10%, минимальную толщину почвенного слоя над семе-

нами 0,5-1,0 см, удельное давление прикатывающего катка сеялки 1,25 -2,5 Н/см2, экспозицию тепловой обработки посевов 6-10 с, обеспечивающие минимальную дивергенцию всходов +(0,3-0,5) см, динамикой прорастания 7 суток вместо 12 у базового процесса. Меюдом визуализации поверхностей отклика выявлены закономерности влияния факторов на устойчивость показателей технологической базы рассады - точность распределения всходов и динамику их появления.

5. Проведены исследования биотехнологической системы ухода за рассадой в фазе ее веч етативного развития (БТС N3) методом многофакюрных экспериментов, получены уравнения регрессии, позволившие определить оптимальные режимы фитотреннинга: высота наклона рассады 7-9 см, количество колебаний рассады 13-15 кол./сутки, экспозиция одного наклона рассады 5-10 с, обеспечивающие за 40 суток фитотреннинга минимальную высоту 60-и суточной рассады томатов 24 см и коэффициент вариации высоты 9-10% , а также повышение физико-механических свойств рассады в среднем на 15%. Методом визуализации поверхностей отклика выявлены закономерности влияния факторов на показатели машинонригодности рассады.

6. Разработаны теоретические зависимости, определяющие динамику прорастания семян (2.4), коэффициенты формы семян (3.2), коэффициенты задержки роста рассады (5.2), а также дифференциальные уравнения динамики движения семян в в роторных шлифовальных органах установок для комплексной обработки семян ( 3,4 и 3.9), в высевающем аппарате ( 4.16) и клапанном механизме ( 4.26) сеялки точного высева, аналитические зависимости деформации почвы бороздообразующим ( 4.13) и бороздозаделывающим (4.9) катками сеялки.

7. Результаты теоретических и экспериментальных исследований были использованы при разработке и внедрении технологий и технических средств выращивания мапшнопригодной рассады для открытого грунта:

- технологии и оборудования для комплексной обработки семян, включающее четыре наименования, повышающие посевные качества исходных семян овощных культур;

- технологии и семейство сеялок точного высева, состоящее из семи наименований, обеспечивающие высокую равномерность высева и динамику прорастания семян;

- технология и семейство огневых культиваторов из четырех наименований для тепловой обработки почвы и посевов семян в фазе их прорастания, обеспечивающие уничтожение сорняков и стимулирование прорастания семян культурных растений;

- испытаны в хозяйственных условиях опытьные образцы фитотренажера и обрезчика корней и листьев кроны рассады в междурядиях перед ее механизированной уборкой;

- испытан в хозяйственных условиях опытный образец экологически чистого энергетического средст ва для пленочных теплиц - мостового электрошасси для работы с перечисленными выше машинами;

- разработаны методические рекомендации по механизации выращивания безгоршечной рассады овощных культур, используемые для подготовки и повышения квалификации овощеводов;

- опубликованные результаты теоретических и экспериментальных исследований используются кафедрой сельхозмашин Ставропольского ГАУ.

8. Результаты экспериментальных исследований и хозяйственных испытаний технологии и технических средств выращивания машинопригодной рассады для открытого грунта подтвердили теоретические исследования и биотехнологическую систему формирования машинопригодных свойств рассады.

9. Экономическая эффективность технологии и технических средств производства машинопригодной рассады, определенная на примере модельного рассадно-овощного комплекса площадью 6 га, обеспечивающего рассадой 300 га открытого фунта под рассадными культурами, характеризуется снижением трудоемкости в 2,26 раза, и прямых издержек в 2 раза. Кроме того, внедрение новой технологии и средств механизации позволит:

- на 5 суток сократить сроки созревания рассады, что на 15- 20% снижает энергозатраты, трудозатраты и прямые издержки на ее выращивание;

- устранить перерастание рассады экологически чистым способом - фи-тотреннингом рассады, в случае непредвиденных погодных условий;

- создавать максимальный забег в возрасте рассадьт (вплоть до появления бутонизации) без ее перерастания, что обеспечивает получение сверх-ранних (на 2 месяца раньше) урожаев в южных зонах страны.

10. Изготовлено 728 различных машин. Выпуск машин по заказам хозяйств продолжается.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Обоснование основных эксплуатационных параметров пневматического высевающего аппарата//Научные тр. Ставропольского СХИ, вып. 43, том 5,

1980, с. 73-76 (соавтор Семенов В. Ф.).

2. Механизированное возделывание рассады для открытого грун-та//Картофсль и овощи, 1981, № 5, с. 18-19.

3. Результаты хозяйственных испытаний сеялки овощных рассадных культур// Научные тр. Ставропольского СХИ, вып. 44, том 4,1981, с.34-37.

4. Самоходная сеялка для теплиц//Ставропольского СХИ, вып. 44, том 4,

1981, с. 38-39.

• 5. Приспособление для стабилизации температуры воды//Научн. тр. Ставропольского СХИ, 1981, с. 28-30.

6. Обоснование ошимальных эксплуатационных параметров односемянной пневматической сеялки для теплиц// Научн. тр. Ставропольского СХИ, 1983, с. 23-27.

7. Сеялки для теплицЯКартофель и овощи, 1983, № 4, с. 35-36.

8. Огневой культиватор//Картофель и овощи, 1984, № 5, с. 30.

9. Агрегат для обработки семян в растворе// Научн. тр. Ставропольского СХИ, 1988, с. 15-18.

10. Рекомендации по механизации выращивания безгоршечной рассады овощных культур/ЛСарачаево-Черкесское полиграфическое объединение, г. Черкесск, 1988, 28 с.

11. Основные принципы нормирования качества работы посевных и посадочных машин//Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2003, № 6. с. 2930 (соавтор Шульженко Б. А.).

12. Пневматические сеялки точного высева семян рассадных овощных культур в теплицах (Теория, расчет, испытания). Монография. Изд. Дом ИН-ФРА-М.: -Москва, 2003, 256 с.

13. Основные параметры сеялки для мелкосеменных культур//Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2003, № 8, с. 40-41.

14. Качество семян и точность распределения рассады по площади питания// Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2004, № 1, с. 37-39.

15. Шлифование семян томатов: технологии и оборудование//Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2004, № 2, с. 10-12.

16. Обоснование параметров прикатывающего катка сеялки овощных культур СОТ-1,2//Мсханизация и электрификация сельского хозяйства, 2004, № 2, с. 29-30.

17. Как ускорить прорастание томата// Картофель и овотци, 2004, № 3, с.

23-24.

18. По сорнякам - огонь! //Сельский механизатор, 2004, № 4, с. 13-14.

^.Усовершенствование клапанного всевающего механизма // Тракторы и

сельскохозяйственные машины, 2004, № 5, с. 13-15.

20 Повышение точности высева семян их комплексной обработкой/Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2004, № 5, с. 7-8.

21. Глубина заделки семян и динамика их прорастания//Сельский механизатор, 2004, № 5, с. 21.

22. Обоснование комплекса машин для производства и посадки безгоршечной рассады// Картофель и овощи, 2004, № 5, с. 21-23

23. Концепция производства машинопригодной рассады овощных куль-тур//Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2004, № 6, с. 43-46.

24. Оптимальные параметры высевающего аппарата сеялки ТОСТ-1,2//Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2004, № 7, с. 37-38.

25 Биотехнологические системы производства машинопригодной рассады для открытого фунта. - М.: Изд. Дом ИНФРА-М, 2004, 190 с.

26. А. С. № 1012821 (СССР). Пневматическая сеялка. Б. И., 1983, № 15 (соавторы Семенов В. Ф. и др.).

27. А. С. № 1186108 (СССР). Пневматическая сеялка Б. И., 1985, № 39.

28. А. С. № 1375161 (СССР). Клапанный механизм сеялки. Б. И., 1988, № 7 (соавторы Крашевич В. С. и др.).

29. А. С. № 1556558 (СССР). Установка для комплексной обработки семян. Б. И., 1990, № 14 (соавторы Шалдаев Б. П. и др.).

30. А. С. № 1556559 (СССР). Установка для комплексной обработки семян. Б. И., 1990, № 14 (соавторы Шалдаев Б. П. и др.).

31. А. С. № 1563610 (СССР). Установка для комплексной обработки семян. Б. И., 1990, № 18 (соавторы Шалдаев Б. П. и др.).

Подписано к печати ¡503. о*,

Формат 60 x 84/16.

Бумага офсетная! Печать офсетная.

Уч.-изд. л.

Тиражу экз.

Заказ № '32

Отпечатано в лаборатории оперативной полиграфии Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина

127530, Москва, Тимирязевская, 58

РНБ Русский фонд

2006-4 19133

Е И