Структурная модель технологии обработки почвы и внесения удобрений

 

Картофель культура рыхлых почв и обеспечение благоприятных условий для дальнейшего развития картофеля создаются обоснованным выбором приемов обработки почвы, нормой внесения удобрений и способом заделки в почву.

Обеспечение питательными элементами в начальный период вегетации позволяет увеличить урожайность. Наиболее прогрессивным приемом является совмещение операций по обработке почвы и внесения, что требует применения соответствующих технических средств, которые обеспечивали бы адаптацию технологических процессов к потребностям возделываемых культур.

Известны работы В.И.Виноградова [30], А.П.,Дорохова [85], М.В.Запевалова [98], И.А.Вороницкого [37] и А.И.Замотаева [96] и др, которые посвящены анализу технологии внесения удобрений по поверхностности поля и обоснованию технических средств реализации. Они рассматривают существующую агрохимическую систему «почва ® растение» в ее функциональных связях с техническими средствами внесения удобрений в применяемых технологиях (рис.2.10). Задачей системы является получение максимальной или планируемой урожайности Y(t). Обратная связь биологической системы (БС) «почва ® растение» выражается в том, что удобрения через растение оказывают влияние на исходное состояние почвы. Это влияние проявляется в увеличении биологической массы и корневых остатков, которые впоследствии сами становятся удобрениями.

Рисунок 2.10 Взаимодействие биологической и технической систем при возделывании картофеля

Векторы внешних воздействий на биологическую (БС) F_БС(t) и техническую (ТС) F_ТС(t) системы включают факторы, влияющие на эффективность функционирования биологической системы в условиях применения технических средств внесения удобрений. Для реализации потенциальных возможностей возделываемых культур оператор, руководствуясь информацией о планируемой урожайности, содержании в почве питательных элементов по агрохимической карте поля (АХКП) и агротехническими требованиями (АТТ), формирует вектор управляющих воздействий, настраивает техническое средство, задавая требуемые дозы и качество внесения удобрений [119, 120].

Управляющее устройство (УУ), учитывающее АХКП и АТТ, формирует управляющие U(t) и входные воздействия для почвы Q(t) и растения D(t). Последние осуществляют контроль выполнения всего технологического процесса внесения удобрений.

Предложенная агрохимическая система не учитывает все факторы, влияющие на выполнение технологического процесса внесения удобрений [119, 120]. Определяющие недостатки рассматриваемой системы состоят в том, что:

· основные факторы, определяющие процесс внесения удобрений U(t), Q(t) и D(t), являются неопределенными;

· применяемые технические средства не учитывают обратные связи и неоднородность почвенной среды;

· для составляющих биологической системы «почва-растение» должны учитываться их физико-механические свойства и технологические показатели.

Для разработки структурной модели системы подготовки почвы и внесения удобрений требуется, чтобы дополнительно учитывались следующие положения:

· при любом способе обработки почвы и внесения удобрений объектами агрохимии должны быть почвенная среда, растение (семена) и минеральные удобрения;

· объекты агрохимии взаимодействуют друг с другом и должны быть представлены как единая система, учитывающая биологические и агрономические показатели исследуемых объектов;

· необходимо учитывать взаимодействие рабочих органов с почвенной средой, растениями (семенами) и удобрениями;

· для оценки качества функционирования технических средств необходимы контроль и управление технологическим процессом обработки почвы и внесения удобрений.

С учетом вышеизложенных положений предлагаемая структурная модель агрохимической системы должна включать агробиологическую (АБС), механико-технологическую (МТС) техническую (ТС), агротехнологическую (АТС) и энергетическую (ЭС) системы (рис.2.11).

Агробиологическая система. Состояние, физико-механические свойства и технологические показатели составляющих агробиологической системы изменяются во времени. Для реализации потенциальных возможностей возделываемых культур (растений) в получении максимального урожая важную роль играют тип, состояние, свойства почвенной среды и виды, дозы, способы внесения применяемых удобрений, способы обработки почвы.

Почвенная среда. При исследовании объекта как почвенная среда требуется знание фундаментальных основ ее строения, чтобы иметь возможность управлять процессом обработки (деформации и разрушения) различных почв. Почвенная среда характеризуется дисперсностью, которая имеет многоуровневую структурную организацию: элементарную, агрегатную и горизонтную [108, 112, 113, 125,168]. Причем, размер, свойства, форма структурных отдельностей обусловлены соотношением, составом и расположением почвенных частиц и агрегатов, т.е. внутренним строением. Именно внутреннее строение почвы и количественная оценка слагающих ее отдельных частиц и агрегатов, а также характер их взаимосвязи друг с другом характеризуются функциями структуры почвенной среды. Примером связи между структурой и функциями почвы является ее прочность (сопротивление внешним механическим воздействием на нее). Прочностные характеристики почвенной среды, в конечном итоге, зависят от ее фазового состава: твердого (Т), жидкого (Ж), газообразного (Г), а также их отношений (К). Представленная четырьмя составляющими (Т, Ж, Г и К), почвенная среда определяется неоднозначно.

Различные соотношения составляющих позволяют рассматривать почву как объект со свойствами от сыпучей среды до твердого тела. Поэтому вопросы описания почв различаются от обычных задач механики сред специфическими особенностями, и без их учета невозможно достичь успеха в количественных методах прогнозирования физических процессов.

Существует малая область с объемом V₀, которую можно рассматривать как элемент сплошной почвенной среды. Выбор объема V₀ осуществляется из условия V_н < V₀ < V_в. Нижняя граница V_н зависит от происходящего в нем конкретного процесса, а верхняя V_в определяет характер неоднородности строения. Объем V₀ должен быть настолько большим по сравнению с объемом V_н, чтобы он, как элемент сплошной почвенной среды, был достаточен для осуществления акта массопереноса. Для почвы, имеющей многоуровневое строение, величины V_н и V_в будут различными.

Из приведенных рассуждений следует ряд важных выводов:

а) многоуровневое определение объема почвенной среды предполагает систему упаковок, а выбор объема V₀ зависит от характера решаемой задачи.

При этом необходимо знать количественные характеристики фазового состава почвенной среды;

б) для описания строения и свойств почвы потребуется рассмотрение V₀ всех уровней;

в) при условии, что механическое разрушение (крошение) почвы есть результат преодоления межагрегатных связей, V₀ определяется макроуровнем. Причем, на макроуровне объем V₀ способен деформироваться под действием различных сил.

 

Физико-механи-ческие свойства

Физико-механи-ческие свойства

Фазовое состояние (Т, Ж, Г, К)

 

 

ПХ – прочностные характеристики; - деформации; , - напряжения;

Рисунок 2.11 Структурная модель технологии обработки почвы, посадки и внесения удобрений

Качество выполнения механизированных операций обработки почвы во многом зависит от формы и параметров рабочих органов и физико-механических и технологических свойств, рисунок 2.8. Все свойства почвы, за исключением ее механического состава, подвержены значительным изменениям, обусловленным погодными условиями, сменой культур севооборота, внесением в почву минеральных и органических удобрений и видом предшествующей обработки. Эти изменения носят как временной характер, так и непрерывный - в пределах даже одного поля.

Удобрения. Существенное влияние на функционирование рассматриваемой системы оказывают физико-механические и технологические свойства удобрений. Их можно классифицировать, выделив следующие характеристики:

- физические, размерные и весовые (влажность, плотность и т.д.);

- фрикционные (коэффициенты внешнего и внутреннего трения, угол откоса);

- прочностные (сопротивление сжатию и коэффициент бокового давления);

- аэродинамические (коэффициент парусности, сыпучесть и рассеваемость).

Механико-технологическая система. Многоуровневое строение почвы, разномасштабность актов деформации и разрушения предопределяют новый подход к построению модели взаимодействия рабочего органа с почвенной средой. Причем разрабатываемая модель должна включать и учитывать идеи физики почв и современной механики разрушения сред. Дополнительно потребуем, чтобы модель, а в последствии и теория, во-первых, учитывала дисперсность почвы и ее физические основы разрушения, во-вторых, давала рекомендации по методам описания явлений, происходящих в процессе разрушения, включая инженерные методы расчетов, в-третьих, могла предложить методы и приемы создания различных моделей почв с заданным уровнем физико-механических свойств почвенной среды [168].

При построении модели разрушения почвы будем исходить из следующих положений:

1.Условимся исходить из предположения, что в почвенной среде удается выделить относительно однородную (сплошную) область V₀, в которой возможно протекание процессов, вызывающих деформацию этого элемента. Обозначим тензор деформации сплошной почвенной среды через . В качестве могут выступать упругие, неупругие и пластичные деформации. Элемент V₀ в состоянии испытывать и любую сумму перечисленных деформаций. Названные деформации возникают под действием сил различной природы, например, механических напряжений , .

Деформационные законы в рассматриваемом объеме могут и не зависеть от процессов, происходящих на других уровнях почвенной среды. Это положение позволяет рассматривать развитие деформации в V₀ как свойство фундаментального характера. При этом аналитические соотношения для деформации должны соблюдать принцип локальности, т.е. иметь смысл фундаментальных констант. В рассматриваемом объеме это может быть энергия межагрегатных связей.

Выбор объема V₀, акта деформации в нем и изучение законов деформационного поведения почвенной среды являются ключевыми вопросами в данной проблеме. Успех теоретического анализа зависит от рационального выбора масштабов акта деформации.

2. Предположим, что любое удовлетворительное приближение модели достигается, если свойства объема V₀ выражаются через средние значения переменных, а такие величины, как , , , будут постоянными. Статистическое усреднение потребуется для определения параметров всего ансамбля объема V_в почвенной среды. Оно является по существу средством для перехода к описанию физико-механических свойств почвы в терминах инженерной механики. Следующий важный момент заключается в предположении, что объем V₀ допустимо рассматривать как математическую точку сплошной среды. Средние значения ее деформации и напряжения , относятся теперь к измеряемым величинам, имеющим макроскопическое содержание. Это допускает использование аппарата непрерывных и дифференцируемых функций в континууме. Для такого пространства и сформулированы основные законы поведения сплошных сред, например, уравнения равновесия для и уравнения сплошности для . Таким образом, в рассматриваемой модели физические и механические аспекты деформации отнесены к разным макроуровням: физические - к нижним V_н, механические – верхним V_в.

3. Очевидно, что между различными объектами макроуровня V₀ существуют взаимодействия. Так, в каком-то объеме V₀ развивается пластическая деформация, а в другом – упругая. Это приводит к перераспределению напряжений между первым и вторым объемами. Характер подобного перераспределения зависит от многих факторов: взаимного расположения всех объемов V₀ в области усреднения V_в относительно друг друга, их взаимной ориентации в пространстве и т. д. Для почвенной среды точный расчет подобных взаимодействий практически невозможен. Однако, если, каждый объем V₀ испытывает одинаковое воздействие со стороны других и имеет одинаковую ориентацию в пространстве, то появляется возможность рассмотрения идеальной модели, например, модели сплошной среды.

4. Такой подход оказывается важным не только для описания взаимодействия между объемами V₀, но и для использования поэтапной модели разрушения почвы: деформации и разрушения . В такой модели процесс формирования свойств почвы происходит по следующей схеме. Напряжения порождают микронапряжения , способные развить и накопить микротрещины в почвенной среде. Последние вызывают физические аспекты микоразрушений. В результате этого появляется макроскопическая деформация , которая определяется ориентационным и пространственным усреднением. В критическом состоянии величина определяется напряженно-деформированным состоянием (НДС). При превышении НДС прочностных характеристик (ПХ) почвы появляется макроскопический разрыв связей, т.е. происходит разрушение (крошение) почвы с образованием поверхностей .

5. В конечно итоге, изучение вопросов описания состояния почвенной среды, а также актов ее деформации и разрушения предопределяет построение реологической модели. При классическом подходе первый этап заключается в составлении уравнений напряженно - деформируемого состояния (НДС) почвы до ее разрушения, а второй этап - в установлении приемлемой теории прочности почвы. Например, в классе напряженного состояния деформируемая почва хорошо описывается моделью тела Максвелла или Фойхта, а разрушение почвы - теорией прочности Кулона-Мора.

6. Разномасштабность актов деформации и разрушения требует учета их связности. Проблема связности носит принципиальный характер и затрагивает физические аспекты разрушения почвенной среды. Величины и являются входными и выходными показателями процесса разрушения и определяются свойствами почвенной среды, а не отдельным элементом. Это означает невозможность сведения макроскопических свойств деформируемой почвы к свойствам разрушившегося элемента или группы вновь образованных поверхностей. Поэтому нельзя отождествлять механические микро - и макродеформации с макроразрушениями. Применительно к почве фактор связности целесообразно упрощать, доводя до операций логического характера и переходя к обобщающим показателям. Так, можно использовать КПД разрушения почвы, если отнести энергию, затраченную на образование поверхностей, к энергии, ушедшей на деформацию почвы.

При таком подходе к изучению процесса деформации и разрушения почвы возникает необходимость выполнения двух критериев разрушения: структурно-силового (по уровню микротрещин) и кинематико-разрывного (по уровню макроскопического разрушения). Например, в первом случае почва может вести себя как деформируемая среда и характеризоваться уровнем напряженно - деформируемого состояния. Для ее описания могут быть использованы методы механики сплошных сред. Во втором случае для описания разрушившейся почвы применимы методы механики дискретной среды. Причем, для решения вопроса о том, разрушился ли элемент почвы, необходимо знать условия ее перехода в разрушенное состояние, т.е. критерии разрушения. Многоуровневое строение почвенной среды предполагает рассмотрение локального и глобального критериев разрушения. Локальный критерий относится к элементу почвы, глобальный – к системе.

В заключение отметим, что представленный материал следует воспринимать как иллюстрацию общего принципа построения модели деформации и разрушения почвы. Причиной тому являются физические процессы, происходящие в почве, которые не всегда укладываются в единую схему и в приложении к конкретным задачам могут видоизменяться как в сторону упрощения, так и усложнения. Поэтому рабочие формулы должны отражать характер реализации актов деформации и разрушения для каждой решаемой задачи. Основное достоинство предлагаемого подхода к построению модели разрушения почвы заключается в возможности физической трактовки феноменологических параметров модели.

Техническая система. Определяющими показателями техническойсистемы являются применяемые способы обработки почвы, способы внесения минеральных удобрений и технические средства для их реализации. Составляющие данной системы для разных технологий возделывания культур могут содержать различные технические средства. Если ограничиться рамками решаемых в данной работе задач применительно к почвозащитной технологии возделывания картофеля, все применяемые почвообрабатывающие машины и орудия для внутрипочвенного внесения удобрений должны иметь технические средства, позволяющие выполнять следующие операции:

почвообрабатывающие машины

· - сокращение количества проходов агрегатов в период ухода за посадками картофеля;

· - создание плодородного слоя почвы, предохраняющего почву от перегрева, излишнего испарения влаги и эрозионных процессов;

машины для внутрипочвенного внесения удобрений

· перемещение удобрений по днищу бункера;

· дозирование удобрений высевающим аппаратом;

· распределение полученной дозы по рядкам;

Агротехнологическая система. Основное назначение данной системы состоит в управлении исполнительными механизмами применяемых технических средств согласно предъявляемым агротехническим (АТТ) и агрохимическим (АХКП) требованиям. Эффективность функционирования агрегатов при подготовке почвы и внесении удобрений в значительной степени зависит от наличия технических средств и способов настройки исполнительных механизмов, точности настройки рабочих органов, оперативности выполнения данных операций в зависимости от изменившихся требований и условий работы. Для обеспечения качественных показателей работы при выполнении технологических процессов обработки почвы и внесения удобрений необходимо производить технологические регулировки. В частности, настройку дозаторов на заданную норму (дозу) высева удобрений и установку параметров распределительных рабочих органов. Необходимость оснащения машин системами управления (УУ) особенно проявляется в технологиях дифференцированного внесения различных видов удобрений. С учетом неоднородности почвенной среды (плодородия) в пределах даже одного поля требуется иметь управляющее устройство с широким диапазоном технологических регулировок. Задача усложняется при применении контроля обеспеченности почв необходимыми питательными элементами согласно информации, получаемой из агрохимической карты поля (АХКП) в виде требуемой дозы (нормы) внесения различных удобрений. Кроме того, следствием изменения свойств почвы на различных участках поля по времени является широкое варьирование показателей качества выполнения технологических операций почвообработки. При обработке поля, даже в пределах физической спелости почвы, не все площади по степени крошения удовлетворяют требованиям агротехники. Для получения однородных показателей качества, удовлетворяющих агротехническим требованиям по всему полю, рабочие органы почвообрабатывающих машин должны иметь возможность изменения степени воздействия на почву и управления процессом работы за счет изменения своих технологических и конструктивных параметров.

Энергетическая система. Основное назначение данной системы состоит в управлении потоками мощности энергетического средства через исполнительные механизмы применяемых технических средств, с целью преодоления сопротивления агрегата R р.о и выбора рациональных параметров и режимов работы рабочих органов машин для обеспечения заданного уровня качества обработки почвы и внесения удобрений. К основным энергетическим показателям тяговых и тягово-приводных агрегатов относятся: энергетический КПД, механический КПД, КПД сельхозмашин, удельные энергозатраты. Их величина зависит от конструктивно-технологического совершенства составляющих агрегат, режимов его использования в конкретных условиях эксплуатации. Практическая актуальность определения энергетических показателей машинно-тракторных агрегатов (МТА) обусловлена необходимостью выбора более лучшего, с точки зрения энергетической эффективности агрегата для возделывания с.х. культур по ресурсосберегающим технологиям. Кроме этого, корректный расчет указанных энергетических показателей позволяет изыскивать пути конструктивного совершенствования, рационального комплектования и режима использования МТА.