3.2: Створення та захист сільськогосподарських культур

Роберто Оберті

Кафедра сільськогосподарських та екологічних наук, Міланський університет, Мілан, Італія

Пітер Шульце Ламмерс

Кафедра сільськогосподарської інженерії, Боннський університет, Бонн, Німеччина

Ключові умови

Обробіток ґрунту	Розкидання	Параметри польової продуктивності
посадка	Обприскування	Норма застосування та якість

Змінні

• ε = динамічний коефіцієнт
• ρ _R = опір коченню
• A = площа поля, що приймає матеріал
• A _o = площа отвору сопла
• AR = норма застосування
• B = довжина укусу
• c _AC = вміст активної сполуки в сировині або розчині
• c _d = коефіцієнт розряду, що враховує втрати внаслідок в'язкого тертя через отвір
• C _a = ємність поля
• C _t = теоретична потужність поля машини
• CV = коефіцієнт варіації
• d = глибина борозни
• D = доза застосування, тобто кількість активної сполуки на одиницю площі
• F _v = вертикальна сила
• F _z = сила тяги
• g = гравітація (9,8 м с ⁻²)
• h = висота осередку над насіннєвою борозною
• i = кількість відвалів
• k = статичний коефіцієнт
• k _n = коефіцієнт витоку сопла
• LAI = Індекс площі листя
• M = маса нанесеного матеріалу
• n = кількість коліс калібру
• n _d = щільність відкладень на цільовій поверхні
• N = кількість вимірюваних зразків
• p = робочий тиск контуру
• p _z = частота міжряддя насіння
• q = рідкий матеріал або об'ємна витрата
• q _n = витрата, що скидається соплом
• Q = витрата матеріалу
• r = швидкість обертання
• s = швидкість поля
• t = час падіння
• v = швидкість руху
• V = обсяг застосовуваного матеріалу
• ВМД = об'ємний медіанний діаметр розпилювача
• w = робоча, або робоча, ширина машини
• w _f = ширина борозни
• x _i = інтервал між насінням
• = середній інтервал між насінням
• z = кількість лез в зборі інструменту

Вступ

Польові культури найчастіше вирощують для забезпечення їжею для людини і тварин. Вирощування польових культур вимагає послідовності операцій (рис. 3.2.1), яка зазвичай починається з підготовки землі з подальшою посадкою. Ці два етапи відомі як створення врожаю. Зростання сільськогосподарських культур вимагає постачання поживних речовин шляхом внесення добрив, а також захисту від бур'янів, хвороб та комах-шкідників за допомогою біологічних, хімічних та/або фізичних процедур. Нарешті, урожай збирають і транспортують до місць переробки. Ця загальна послідовність операцій може бути більш складною або спеціально модифікованою для конкретного врожаю або системи обрізки. Наприклад, встановлення врожаю потрібно лише один раз, тоді як захист та внесення добрив можуть повторюватися кілька разів на рік.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Типові операції, пов'язані з вирощуванням польових культур.

Інжиніринг є невід'ємною частиною максимізації продуктивності та ефективності цих операцій. У цій главі представлені деякі інженерні концепції та обладнання, що використовуються для створення сільськогосподарських культур та захисту рослин у ріллі.

Результати

Прочитавши цю главу, ви повинні мати можливість:

• Охарактеризуйте основні принципи механізації сільського господарства
• Застосування концепцій фізики до деяких аспектів обладнання для створення та захисту сільськогосподарських культур
• Розрахуйте продуктивність полів для підготовки землі, посадки, підгодівлі та захисту рослин на основі експлуатаційних параметрів

Поняття

Параметри польової продуктивності

Незалежно від конкретної операції, робота польової машини оцінюється за деякими основними параметрами: робочій ширині і польової потужності машини.

Робоча ширина

Робоча, або робоча, ширина w машини - це ширина ділянки поля, що обробляється кожним проходом машини. У польових роботах, особливо з великим обладнанням, ефективна робоча ширина може бути меншою за теоретичну ширину через небажані часткові перекриття між проходами.

Ємність поля машини

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Площа, що працює машиною, тобто її польова потужність (C _a) походить від робочої ширини (w) і швидкості поля (s).

Важливим параметром, який слід враховувати при виборі машини для операції, є потужність поля, яка представляє швидкість роботи машини в перерахунку на площу землі або врожаю за годину. Теоретична ємність поля машини (також називається об'ємом площі) можна обчислити як:

\[ c_{t} = ws \]

де C _t = теоретична ємність поля (м ² год ⁻¹)

w = робоча ширина (м)

s = швидкість поля (м год ⁻¹)

C _t зазвичай виражається в га h ⁻¹. На малюнку 2 показана площа поля, відпрацьована за проміжок часу, т.

У реальних умовах роботи ця теоретична потужність зменшується часом простою (наприклад, поворотами, заправками, перенесеннями або перервами) та можливим зменшенням робочої ширини або номінальної швидкості поля через експлуатаційні міркування, що призводить до фактичної потужності поля:

\[ c_{a} = e_{f}C_{t} \]

де e _f - ефективність поля (десяткова). Його величина багато в чому залежить від операції, яку можна оцінити для заданих операцій і умов праці.

Обробіток ґрунту

Визначення обробітку ґрунту

Підготовка грунту механічними втручаннями називається обробіток грунту. Основною функцією обробітку ґрунту є розпушування ґрунту, щоб створити пори, щоб вони могли містити повітря та воду, щоб забезпечити ріст коренів. Іншими основними завданнями обробітку ґрунту є подрібнення ґрунтових агрегатів до необхідних розмірів, зменшення або усунення бур'янів, домішування рослинних залишків. Обробіток ґрунту повинен бути адаптований до типу та стану ґрунту (наприклад, вмісту ґрунтової води або рослинних залишків) та проводити у належний час.

Механіка ґрунту

Грунт класифікується за розмірами зерен на категорії піску, мулу та глини. Суглинки є сумішшю цих типів грунту. Грунт піддається напруженню зсуву і реагує деформацією при обробці грунту. Грунтообробний інструмент, що рухається по ґрунту, викликає силу, яка викликає напругу між сусідніми зернами ґрунту. Це призводить до деформації або деформації грунту. Піщаний грунт характеризується низькою міцністю на зсув і високим тертям, в той час як глинистий характеризується високою зчепленням і, після розтріскування, низьким тертям. Інструменти для обробки грунту зазвичай виступають як клини. Вони взаємодіють з грунтом і викликають відносний рух у площині зсуву, де частина ґрунту рухається інструментом, тоді як сусідній ґрунт залишається на місці. Енергія витрачається на зсув і підйом грунту і подолання тертя об інструмент.

Первинний обробіток ґрунту

Первинний ґрунтообробний інструмент або знаряддя призначені для розпушування ґрунту та змішування або включення пожнивних залишків, залишених на поверхні поля після збору врожаю. Подальша обробка грунту для підготовки посівного ложа полягає в вторинній обробці грунту. Типовим знаряддям для первинного обробітку ґрунту є плуг (в деяких країнах пишеться «плуг»), який використовується для глибокої обробки грунту.

Три найпоширеніші види плуга - відвал, зубило, дисковий (рис. 3.2.3). Корпус відвального плуга і його дія показані на малюнку 3.2.3а. Леміш плуга зрізає ґрунт горизонтально, а прикріплений відвал перевертає смугу ґрунту і перевертає її майже догори дном у борозні, зробленій попереднім корпусом плуга. П'ята стежить за тим, щоб плуг слідував правильному шляху. Ці частини з'єднуються опорною частиною (грудкою), яка з'єднана ніжкою з каркасом плуга. Дизельні плуги не перевертають весь грунт, а перемішують верхній шар грунту, включаючи залишки, в більш глибокі ділянки грунту. Зубильні плуги використовують важкі зубці з лемелями на дні зубців (рис. 3.2.3b). Дисковий плуг використовує увігнуті круглі диски (рис. 3.2.3c) для розрізання грунту на дні борозни і обертовим рухом диска повертає грунт.

Тягові зусилля на тягу плуга забезпечуються трактором, до якого він кріпиться. Рівняння 3.2.3 - це один із способів розрахунку тягового зусилля, необхідного для витягування відвалу плуга. Цей розрахунок слід Горячкін (1968):

\[ F_{z} = nF_{v} \rho_{r} + ikw_{f}d \ + i \epsilon w_{f} dv^{2} \]

де F _z = сила тяги (N)

n = кількість коліс калібру

F _v = вертикальна сила (N)

ρ _R = опір коченню

i = кількість відвалів або часток

k = статичний коефіцієнт (N см ⁻²) від 2 до 14 залежно від типу ґрунту

w _f = ширина борозни (см)

d = глибина борозни (см)

ε = динамічний коефіцієнт (N s ² м ⁻² см ⁻²), коливається від 0,15 до 0,36 залежно від типу ґрунту та конструкції відвалу

v = швидкість руху (м с ⁻¹)

Близько половини енергії, споживаної при оранці, ефективної енергії, робить роботу різання (13— 20%), підняття і прискорення грунту (13— 14%) і деформації (14— 15%). Решта енергії витрачається на неефективні втрати (наприклад, тертя), які не сприяють ефективності обробки грунту.

Вторинний обробіток грунту (підготовка посівного ложа)

Вторинний обробіток ґрунту готує посівне ложе після первинної обробки ґрунту. Інвентар для вторинного обробітку ґрунту є численним і безлічі різних конструкцій. Борона — архетип вторинного обробітку ґрунту, який складається з зубців, закріплених у рамі. Культиватори важчі, з більш довгими зубцями, виконаними у вигляді стамесок в жорсткій рамі або з гнучкою підвіскою. Грунт розкривається частками, і ефект характеризується інтервалом між зубцями, глибиною борозни та швидкістю.

(а)

(б)

(c)

Малюнок\(\PageIndex{3}\): (а) відвал корпус плуга; (б) зубило (зубило) культиватора; (в) дисковий плуг.

Більшість ґрунтообробних знарядь тягнуться тракторами і обмежені тягою, про що йдеться в іншому розділі. (Мотоблоки існують як роторні борони з вертикальними осями або роторні культиватори з горизонтальними осями; про них йдеться нижче.) Механічне з'єднання відбору потужності трактора (ВОМ) з ґрунтообробним знаряддям забезпечує потужність приводити в рух осі агрегату, які оснащені лезами, ножами або лемелями. Кожне лезо розрізає шматок ґрунту (Schilling, 1962), і довжина цього укусу визначається як функція швидкості руху трактора та швидкості обертання осі відповідно до:

\[ B= \frac{\nu\ 10,000}{rz\ 60} \]

де B = довжина прикусу (см)

v = швидкість руху (км год ⁻¹)

r = швидкість обертання (хв ⁻¹)

z = кількість лез в зборі інструменту

Зрізаний грунт часто кидається на ковпак або кришку, яка допомагає подрібнити ґрунтові агломерації, причому швидкість обертання осі впливає на силу удару.

посадка

Культури висівають (висаджують) шляхом розміщення насіння в грунт (або в деяких випадках, розглянутих нижче, шляхом пересадки). Основними вимогами є:

• • рівномірний розподіл насіння в полі,
• • розміщення насіння на належній глибині ґрунту,
• • покриття насіння.

Насіннєве ложе слід підготувати шляхом обробітку ґрунту до агрегату розміру насіннєвого зерна та обережно ущільнюючи ґрунт на глибині розміщення насіння, наприклад, 2—4 см для пшениці та ячменю. Проростання викликано температурою ґрунту (наприклад, 2—4° C для пшениці) та вмістом ґрунтової води. Норма висіву зернових культур знаходиться в діапазоні від 200 до 400 зерен на м ², в результаті чого від 500 до 900 голів на м ², оскільки одна рослина може виробляти кілька головок. Оскільки дозування насіння проводиться масовим, товарне насіння індексується масою однієї тисячі зерен (табл. 3.2.1).

Відповідний розподіл насіння є основоположною умовою успішного врожаю. Насіння можуть транслюватися, а значить, вони розсипаються випадковим чином (рис. 3.2.4). Зазвичай це робиться для таких культур, як трави та люцерна. Але насіння для більшості культур відкладаються рядами. Загальні відстані між рядами для зернових - від 12 до 15 см. Для культур, які зазвичай називають міжряддями (наприклад, соя або кукурудза), відстань між рядками становить від 45 до 90 см. Якщо ряди знаходяться на відповідній відстані, колеса сільськогосподарських машин можуть уникнути їзди по рослинам, коли вони ростуть з насіння.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Характеристика насіння.

	Тисяча маса зерна (г)	Насипна щільність (кг L ^−1)	Норма висіву (кг га ^−1)	Площа на зерно (см ^2)
Пшениця (Triticum aestivum)	25—50	0,76	100—250	22-37
Ячмінь (Hordeum vulgare)	24—48	0,64	100—180	27—48
Кукурудза (Zea mays)	100—450	0.7	50—80	-
Горох (Pisum sativum)	78—560	0.79	120—280	-
Ріпак (Brassica napus)	3.5—7	0,65	6—12	-

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Розподіл насіння: (а) посівний ряд звичайним сівалом; (б) стрічковий посів; (в) трансльоване насіння; (г) точне висівання.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Шиповане насіннєве колесо для дозування насіння, з нижньою заслінкою для регулювання розміру насіння.

У рядках насіння мають випадковий інтервал, якщо використовуються сівалки, або мають фіксовану відстань між насінням, якщо використовуються точні сівалки (розглянуті нижче). Сівалки зазвичай використовуються для дрібних зерен і складаються з компонентів, які:

• • утримувати насіння, що підлягають посадці,
• • метр (сингулювати) насіння,
• • відкрити борозну ряду в грунті,
• • транспортувати насіння в грунт,
• • помістіть насіння в грунт, а потім
• • закрити відкриту борозну грунтом.

Для розширення площі на одне насіння при посіві в ряди більш широке розкриття борозни дозволяє стрічковий посів (рис. 3.2.4).

(а)

(б)

Малюнок\(\PageIndex{6}\): (а) Осадження насіння в ряд, просвердлені; (б) частота відстаней насіння, просвердлених.

Звичайні сівалки часто вимірюють насіння шипованим валиком, як показано на малюнку 3.2.5. Ідеальним є рівномірний розподіл, але будуть варіації, включаючи нечасті більші відстані, як показано на малюнку 3.2.6 (Heege, 1993).

Другим дуже поширеним дозуючим пристроєм є коміркове колесо, яке використовується для центрального дозування в пневматичних сівалах. Обертається осередкове колесо заповнюється насінням в бункері і випорожнюється в повітряний потік через струмінь Вентурі (рис. 3.2.7). Зерна захоплюються повітрям і стикаються з тарілкою. Відносно рівномірний розподіл зерен відбувається по колу пластини, де розташовані труби для транспортування зерен до сошників.

Частота відстаней насіння (рис. 3.2.6), виміряних кормовими осередками або шипованими роликами, відповідає експоненціальній функції (Heege, 1993):

\[ p_{z} = \frac{1}{\bar{x}}e^{-\frac{x_{i}}{\bar{x}}} \]

де p _z = частота міжряддя насіння

x _i = відстань між насінням (см)

\(\bar{x}\)= середнє відстань між насінням (см)

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Рифлена труба з пластиною для розподілу насіння по колу в насіннєві трубки, і осередкове колесо детально.

Точність поздовжнього розподілу насіння вказується коефіцієнтом варіації (Müeller et al., 1994):

\[ CV= \frac{\sqrt{\frac{(x_{i} - \bar{x})^{2}}{N-1}}}{\bar{x}} 100\% \]

де CV = коефіцієнт варіації (%)

N = кількість вимірюваних зразків

x _i = інтервал (см)

\(\bar{x}\)= середній інтервал (см)

Резюме менше 10% вважається хорошим, тоді як вище 15% - незадовільним.

Сівалки точного висіву

Такі культури, як кукурудза, соя, цукровий буряк та бавовна, мають вищу врожайність, якщо посіяти як окремі рослини. Сівалки точного висіву виділяють насіння і розміщують їх на постійних відстанях розділення в рядку. Клітинні колеса виділяють насіння з основної маси, переміщують їх постійною швидкістю обертання до сошника і скидають їх в насіннєву борозну з цільовою відстанню між кожним насінням. Наповнення осередків є вирішальною функцією сівалок точного висіву. Кожну клітинку потрібно заповнити одним, і тільки одним, насінням. Клітинні колеса обертаються через основну масу насіння в бункері і заповнюються самопливом, або наповнення здійснюється повітряним потоком, що всмоктує зерна в отвори коліс осередків (рис. 3.2.8). Потім насіння звільняють від осередкових коліс і опускають на дно насіннєвої борозни. На траєкторію одного зернятка насіння впливає сила тяжіння (включаючи час падіння насіння). Щоб уникнути перекочування насіння в борозні, зворотна швидкість висіву щодо сівалки повинна відповідати швидкості вперед сівалки.

Час, необхідний для того, щоб насіння випало, становить:

\[ t= \sqrt{\frac{2h}{g}} \]

де t = час падіння (с)

h = висота осередку над насіннєвою борозною (м)

g = прискорення за рахунок сили тяжіння (9,8 м с ⁻²)

(а)

(б)

Малюнок\(\PageIndex{8}\): Точна сівалка для висіву насіння для розміщення насіння з певним інтервалом: (а) механічне відсівання за допомогою коміркового колеса, (б) пневматичний відсіювальний пристрій з осередковим колесом.

пересадка

У разі коротких вегетаційних періодів або інтенсивного землеробства (наприклад, культур, які потребують виробництва за короткий час), деякі культури не висівають безпосередньо на поля, а пересаджують.

Насіння можна пророщувати в контрольованих умовах, наприклад, в теплицях (теплицях). Маленькі саджанці рослин можна вирощувати на лотках або в горщиках, а потім пересаджувати на поля, де вони дадуть врожайний урожай. У випадку з рисом, який часто не є прямим посівом, рослини вирощують у лотках, а потім пересаджують. При пересадці рису шарнірним механічним пристроєм вибиває кореневу частину разом з верхніми частинами рослин з лотка і вдавлює його в грунт, зберігаючи при цьому рослини повністю насиченими водою.

Інші рослини розмножують вегетативними методами (клонуванням або живцями). Для картоплі потрібні спеціальні прийоми. «Насіннєві» бульби кладуть в бункер сівалки і висаджують в гряди. Відстань між рядками зазвичай становить 60-90 см, що дає 40 000—50 000 картоплі на га.

У порівнянні з насінням, дрібні рослини (будь то саджанці, бульби, живці і т.д.) легко пошкоджуються. Основними вимогами пересадки, як ручної (яка є трудомісткою), так і механізованою, є:

• • відсутність пошкоджень розсади,
• • вертикальне розташування саджанців в грунті на цільовій глибині,
• • правильний інтервал між рослинами в ряду, і
• • тісний контакт грунту з корінням.

Запліднення

Урожайність сільськогосподарських культур суворо пов'язана з наявністю поживних речовин, які засвоюються рослиною під час росту. У міру збору врожаю поживні речовини видаляються з ґрунтів. Основні поживні речовини (азот (N), фосфор (P) та калій (K)) зазвичай доводиться замінювати внесенням добрив для підтримки продуктивності ґрунту. Незначні поживні речовини також іноді потрібні.

Органічні добрива виробляються в процесі землеробства, і їх використання можна розглядати як збереження переробки поживних речовин. Концентрація поживних елементів в органічних добривах низька (наприклад, 1 кг суспензії худоби може містити 5 г N або менше), що вимагає дуже великих структур для тривалого зберігання, відповідного захисту від випаровування або розведення поживних речовин, великих машин для розподілу полів та застосування великі обсяги для достатнього внесення добрив культур. Виходячи з їх твердого вмісту, органічні добрива класифікуються як суспензія (вміст твердої речовини менше 14%), яку можна перекачувати та керувати як рідини, або як гній (вміст твердого речовини не менше 14%), яким керують як тверді речовини за допомогою скребків та вил.

Мінеральні добрива виробляються промисловими процесами і характеризуються високою концентрацією поживних хімічних речовин, швидкою доступністю для засвоєння рослин, простотою зберігання та обробки, стабільністю з часом. Найбільш використовуваною формою мінеральних добрив у всьому світі є тверді гранули (наприклад, гранули сечовини, кальцієва аміачна селітра, хлорид калію та комплексні добрива N-P-K). Інші методики спираються на розподіл рідких розчинів або суспензій мінеральних добрив або на грунтове введення безводного аміаку.

Швидкість застосування

Під час операцій розподілу (включаючи внесення добрив, а також розподіл інших входів, таких як пестициди) норма внесення - це кількість матеріалу, розподіленого на одиницю площі поверхні, тобто для твердих речовин за масою:

\[ AR=M/A \]

і для рідин за обсягом:

\[ AR=V/A \]

де AR = норма внесення (кг га ⁻¹ або L га ⁻¹)

M = маса розподіленого матеріалу (кг)

V = об'єм розподіленого матеріалу (л)

A = площа поля, що приймає матеріал (га)

Доза застосування

Доза застосування, D, відноситься до кількості активної сполуки (наприклад, хімічної поживної речовини, пестицидного інгредієнта), розподіленої на одиницю площі поверхні:

\[ D=c_{AC}AR \]

де D = доза застосування (кг _AC га ⁻¹)

c _AC = вміст активної сполуки в сировині або розчині, розподіленому при нормі внесення (г кг ⁻¹ або г L ⁻¹)

Поздовжня і бічна рівномірність розподілу

Рівномірність норми внесення при розподілі має принципове значення для агрономічного успіху операції. Машина повинна бути в змозі гарантувати відповідну рівномірність як по ходу (поздовжня рівномірність), так і поперечному (бічна рівномірність) напрямках.

Поздовжня рівномірність розподілу по полю виходить відповідним дозуванням масового (або об'ємного) потоку з машини, за допомогою регулюючих пристроїв, таких як регульовані розвантажувальні затвори або клапани. Швидкість потоку матеріалу, яку потрібно встановити, залежить від бажаної швидкості нанесення, швидкості руху та робочої ширини розподільної машини. Це можна побачити, розділивши на час як чисельник, так і знаменник Рівняння 3.2.8 (і аналогічно для 3.2.9), що призводить до:

\( AR = (M/t)/(A/t) \)

Чисельником правого боку рівняння є маса відтоку Q (зазвичай виражається в кг хв ⁻¹), а знаменником є теоретична ємність поля машини C _t, або 0,1 w s (див. Рівняння 3.2.1).

Потім випливає, що для АР в одиницях кг га ⁻¹:

\( AR = \frac{(Q \text{ kg min}^{-1}) (60 \text{ min h}^{-1})}{0.1 ws} = \frac{600Q}{ws} \)

Перестановка:

\[ Q= \frac{AR \ ws}{600} \]

де Q - величина витрати матеріалу (kg min ⁻¹), що встановлюється для отримання бажаної норми внесення AR (кг га ⁻¹), коли розподільна машина працює зі швидкістю s (км h ⁻¹) і з робочою шириною w (м).

Аналогічно для рідкого матеріалу, розподіленого, об'ємна швидкість q (L min ⁻¹) розраховується наступним чином:

\[ q= \frac{AR \ ws}{600} \]

Бічна рівномірність розподілу по робочій ширині виходить за рахунок забезпечення двох умов: контрольованої схеми розподілу і відповідного перекриття відстані валка між сусідніми проходами машини. Правильно працююча система розподілу може підтримувати правильну форму схеми розподілу, яка може бути трикутною, трапецієподібною або прямокутною, залежно від системи розподілу. Загальний бічний розподіл виходить правильним перекриттям індивідуального малюнка, виробленого кожним проходом обладнання (робоча ширина). Рівномірність розподілу може бути перевірена шляхом переміщення повз лотків, розміщених на землі, і вимірювання кількості добрив, внесених в окремі лотки. Коефіцієнт варіаційного аналізу, подібний до розглянутого вище для посіву (Рівняння 3.2.6), може бути проведений для оцінки однорідності.

Типи розкидачів добрив та функціональні компоненти

Розкидач добрив - це машина, яка перевозить, вимірює та вносить добрива на поле. Існує багато типів розкидачів добрив з різними характеристиками, залежно від матеріалу добрив та потреб місцевого землеробства.

Цистерни для суспензії часто використовуються для розповсюдження органічних добрив, які можна перекачувати, тоді як розкидачі гною використовуються для більш сухих матеріалів з більшим вмістом сухих речовин, часто включаючи солому або рослинні залишки на додаток до відходів тваринного походження. Гранульовані мінеральні добрива розподіляються відцентровими розкидачами або пневматичними або шнековими розкидачами. Рідкі добрива зазвичай розподіляються стріловими обприскувачами або системами мікрозрошення, а безводний аміак - форсунками під тиском.

Всі розкидачі добрив включають три основні функціональні компоненти: бункер або бак, дозуючу систему та розподільник. Бункер (для твердих матеріалів) або резервуар (для рідин і суспензій) - це контейнер, куди завантажується добриво. У тракторних розкидачах місткість бункера, як правило, нижче 1000-1500 кг, тоді як для причіпного обладнання вантажопідйомність може досягати 5000 кг. Вантажопідйомність шламових цистерн і розкидачів гною значно вище (від ^{3 м 3} до більше 25 м ³), так як норми внесення органічних добрив дуже високі, щоб компенсувати їх низьку концентрацію поживних речовин. Бункери та резервуари обробляються, щоб бути стійкими до корозії, тоді як цистерни для суспензії, як правило, виготовляються з нержавіючої сталі з аналогічних причин.

Добрива подаються з бункера або резервуара або самопливом (відцентровий розкидач), механічним транспортером (пневматичний розкидач або розкидач гною), або тиском (цистерна для суспензії) через систему дозування до системи розподілу. Витік маси Q (кг хв ⁻¹) у розкидачах добрив часто вимірюється регульованим затвором, який може змінювати площу відкриття випускного отвору для встановлення норми внесення добрив (рівняння 13). Оскільки характеристики потоку гранульованого матеріалу через заданий отвір залежать від розміру частинок, форми, щільності, тертя тощо, необхідна процедура калібрування для встановлення математичної залежності між відкриттям затвора та масовим потоком Q для конкретного добрива. Зазвичай це здійснюється шляхом відключення системи розподільника, встановлення дозуючого затвора у визначеному положенні, збору добрив, що вивантажується протягом певного часу (наприклад, 30 с) за допомогою відра, і, нарешті, обчислення отриманого масового потоку. Ця процедура може повторюватися для декількох положень воріт вимірювання, хоча виробник зазвичай надає інструкції для екстраполяції з однієї точки вимірювання (коефіцієнт калібрування) на повну залежність між відкриттям воріт і потоком.

У розкидачі гною відтік маси дозується шляхом зміни швидкості підлогового конвеєра або гідравлічного затвора у випадку дуже великих машин. Управління потоком в резервуарах для суспензії під тиском здійснюється через дозуючий клапан або шляхом зміни швидкості насоса для машин з прямим перекачуванням суспензії.

Потім дозований потік поширюється розподільником по ширині розподілу. У відцентрових розкидачах розподіл проводиться двома (зрідка одним у невеликих машинами) обертових дисках, що приводяться в дію від відбору потужності трактора або гідравлічними або електродвигунами. На кожному диску дві або більше радіальних лопатей вражають відцентрове прискорення до гранул добрив, які віддаляються зі швидкостями від 15 м ⁻¹ до більше 50 м с ⁻¹, в межах певного кута напрямку, що виникає внаслідок поєднання тангенціальної та радіальної компонентів швидкості. Потім гранули слідують майже параболічній (тертя опору уповільнює частинку) траєкторію в повітрі, отримуючи дуже велику ширину розподілу.

Крім швидкості обертання дисків, вирішальним параметром при визначенні схеми розтікання в відцентровому розкидачі є положення подачі, тобто положення падіння гранул на диску, яке, в свою чергу, визначає час, протягом якого кожна частинка прискорюється лопатками і, отже, її швидкість запуску. Змінюючи положення годування разом із отвором дозуючого затвора, схема розподілу та ширина можуть бути рівномірними для різних гранул добрив або можуть бути використані для отримання конкретних схем розподілу, наприклад, для поширення поблизу кордонів полів.

У пневматичних розкидачах гранули добрив подаються в потік повітря-носія, що генерується вентилятором. Повітряний потік транспортує добриво через труби, встановлені на горизонтальній стрілі, і добриво остаточно розподіляється, вдаривши дефлекторні пластини. Відстань між плитами становить близько 1—2 м, що створює невелике перекриття розкидання, що призводить до рівномірного поперечного розподілу по всій робочій ширині.

Розкидачі гною зазвичай мають два або більше роторів, встановлених на задній частині розкидача. Ротори оснащені гострими лопатевими вузлами, які подрібнюють і поширюють частинки гною на розподільну ширину 5-8 м. Суспензія розподіляється аналогічною шириною потоком під тиском в дефлекторну пластину або за допомогою грунтових аплікаторів, які відкладають суспензію безпосередньо на землю або в землю.

Захист рослин

Розвиток і врожайність культур вимагають захисту від конкуренції небажаними рослинами (бур'янами), від зараження хворобами (грибами, вірусами, бактеріями), пошкоджень комахами-шкідниками. Це можна отримати шляхом інтеграції одного або декількох різних підходів, включаючи сівозміну культур та відбір стійких сортів, методи управління сільськогосподарськими культурами, розподіл корисних організмів та застосування фізичних (наприклад, механічних або термічних) або хімічних обробок.

Нинішнім основним методом захисту рослин є використання засобів хімічного захисту, зазвичай пестицидів, які відіграють життєво важливу роль у забезпеченні світового виробництва продуктів харчування та кормів. Пестицидні склади іноді поширюються у вигляді фумігації, порошку або твердих гранул, наприклад, під час посіву. Але найбільш використовуваною технікою є рідке нанесення, після розведення у воді, за допомогою розпилювача рідини під тиском.

Розмір крапельки

Для оптимізації біологічної ефективності пестицидів рідина розпилюється в пульверизатор крапель. Кількість крапель і їх розмір впливають на здатність спрею покривати більшу поверхню, вражати дрібні цілі, проникати всередину листя. Кожен спрей забезпечує діапазон або розподіл розмірів крапель. Розмір крапель зазвичай представлений у вигляді об'ємного медіанного діаметра (VMD або D _V0.5) в мкм і класифікується як в таблиці 3.2.2. Засоби захисту рослин в основному використовують краплі від дрібних до дуже грубих діаметрів.

Дрейф крапель проти адгезії та покриття

Ефект сил опору та плавучості збільшується зі зменшенням розміру крапель. Це робить більш тонкі бризки більш схильними до дрейфу, тобто транспортуються з цільової зони шляхом повітряної конвекції. Більше того, в сухому повітрі випаровування води зменшує розмір крапель під час транспортування, особливо дрібних крапель, ще більше посилюючи ризики дрейфу. Окрім зниження ефективності захисту рослин, дрейф розпилення є основною проблемою для осадження пестицидів на ненавмисних цілях, забруднення поверхневих вод та навколишнього повітря та ризиків через надмірне опромінення операторів та інших людей.

З іншого боку, грубі краплі покривають меншу цільову площу при однаковому об'ємі рідини (рис. 3.2.9), і їх зчеплення на цільових поверхнях після удару може бути проблематичним. Якщо кінетична енергія при ударі долає капілярні сили, крапля руйнується або відскакує, в результаті чого стік замість прилипання до поверхні як рідина.

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Класифікація розмірів крапель відповідно до ANSI/ASABE S572.1 (ASABE Standards, 2017) та типове використання в програмах захисту рослин. CP і SP відносяться до режиму дії продукту: CP = контактний продукт; SP = системний продукт.

Крапелька Розмір Категорія	Символ	ВМД (мкм)	Типове використання
Дуже добре	ВФ	<140	Запотівання теплиць
штраф	F	140—210	КП на деревних культурах
Середній	М	210—320	КП на орних культурах
Грубий	C	320—380	СП на посівах; КП на ґрунті
Дуже грубий	ВК	380—460	CP на грунті; застосування проти дрейфу
Надзвичайно грубий	ЕЦ	460—620	Застосування проти дрейфу; рідкі добрива
Ультра грубий	UC	> 620	рідкі добрива

Малюнок\(\PageIndex{9}\): Зменшуючи розмір крапель D, більша цільова поверхня може бути покрита тим же об'ємом рідини.

Як наслідок, оптимальний розподіл крапель за розмірами є питанням ретельної оптимізації: хоча дрібний розпилювач може скористатися турбулентністю повітря і бути корисним для поліпшення покриття в щільному навісі, середньо-грубий спрей кращий для зменшення ризиків дрейфу з втратами продукту в повітрі, воді та грунті. Грубі або дуже грубі спреї необхідно використовувати, коли швидкість вітру вище оптимального діапазону (1—3 м с ⁻¹) і обробку не можна відкладати.

Режим дії та параметри програми

Характеристики обприскування повинні бути адаптовані до особливостей цілі та врожаю, а також до режиму дії пестицидів. В основному існують дві широкі групи пестицидних способів дії: контактні пестициди, з ефективністю захисту, обмеженими ділянками, безпосередньо досяженими хімічною речовиною в достатній кількості; і системні пестициди, з ефективністю захисту залежно від загального поглинання рослина достатньої кількості хімічної речовини і його внутрішня транслокація до місця дії.

Контактні продукти, як правило, вимагають високої щільності відкладень (75-150 крапель см ⁻²) для щільного покриття цільової поверхні, як це виходить з близько розташованими краплями більш тонких розпилювачів. З іншого боку, для системних продуктів покриття поверхні менш важливо за умови, що достатня доза пестициду доставляється і поглинається рослиною. Отже, використовуються менші щільності відкладень (20-40 крапель см ⁻²), пов'язані з більш грубими спреями.

Швидкість застосування

Поєднуючи розмір крапель і щільність відкладень, обрані для обробки пестицидами, швидкість внесення AR, тобто об'єм рідини на одиницю розпилюваної площі, можна обчислити як:

\( AR = \frac{\text{liquid volume}}{\text{sprayed area}} = (\text{mean drop volume})(\frac{\text{number of drops}}{\text{sprayed area}}) \)

Визначення площі обприскування має враховувати, що для обробки грунту цільовою поверхнею є площа поля, тоді як для обробок рослин - загальна рослинна поверхня рослини. Взаємозв'язок між ними зазвичай виражається у вигляді індексу площі листя, LAI, який є співвідношенням між поверхнями листя мішені та поверхнею поля, в якому вона росте. На ранніх стадіях росту зазвичай передбачається LAI близько 1 (що стосується грунту), тоді як з подальшим розвитком LAI збільшується до 5 і більше, залежно від врожаю. Попередній вираз можна переписати так:

\( AR = \frac{4}{3}\pi (\frac{VMD}{2})^{3} \times n_{d} \times LAI = \frac{\pi}{6} VMD^{3}(\mu m^{3})(10^{-15}L \ \mu m^{3}) \times n_{d}(cm^{-2})(10^{8} cm^{2} ha^{-1}) \times LAI \)

тобто,

\[ AR = 10^{-7} \times \frac{\pi}{6} VMD^{3} \times n_{6}\times LAI \]

де AR = норма внесення (L га ⁻¹)

ВМД = об'ємний медіанний діаметр розпилювача (мкм)

n _d = щільність відкладення на цільовій поверхні (кількість крапель см ⁻²)

LAI = індекс площі листя обприскуваних рослин (десятковий; = 1 для ґрунту та ранніх стадій росту)

Функціональні компоненти обприскувача

Обприскувач - це машина, яка несе, вимірює, розпилює та застосовує розпилювальний матеріал до мети. Основні функціональні компоненти обприскувача показані на малюнку 3.2.10.

Малюнок\(\PageIndex{10}\): Принципова схема обприскувача з основними функціональними компонентами: q _p - витрата, що виробляється насосом, q _R - порція, що повертається клапаном в бак, а q - витрата, виміряна для розподілу.

Резервуар містить водно-пестицидну суміш для нанесення, ємність якої варіюється від 10 л для моделей ранців, що перевозяться людиною, до більш ніж 5 м ³ для великих самохідних обприскувачів. Резервуари виготовлені з корозійно-стійкого та жорсткого матеріалу, зазвичай поліетиленового пластику, відповідної форми для легкого наповнення та очищення. Щоб зберегти рівномірне перемішування рідини в баку, відповідне перемішування забезпечується за рахунок повернення частини перекачується потоку або, рідше, механічним змішувачем.

Насос виробляє потік рідини в контурі, працюючи проти опору, створюваного компонентами системи (клапани, фільтри, форсунки і т.д.) і в'язким тертям. Чим вище опір, яке повинен подолати насос, тим більше тиск рідини в контурі.

Мембранні насоси (рис. 3.2.11) є найбільш поширеним типом, що використовується в обприскувачах, оскільки вони легкі, низьку вартість і можуть обробляти абразивні і агресивні хімічні речовини. Насосна камера герметична гнучкою мембраною (діафрагмою), з'єднаною з рухомим поршнем. При русі поршня для збільшення обсягу камери (рис. 3.2.11, зліва) рідина надходить шляхом всмоктування через впускний клапан. У міру повернення поршня діафрагма зменшує обсяг камери (рис. 3.2.11, праворуч), просуваючи рідину через випускний клапан.

Малюнок\(\PageIndex{11}\): Мембранний насос: впускний (лівий) і вихідний хід (праворуч) рідини.

Як і для будь-якого насоса з позитивним переміщенням, мембранні насоси подають постійний потік за кожен оборот вала насоса незалежно від зміни тиску (в межах робочого діапазону):

\[ q_{p} = 10^{-3}V_{p}n_{p} \]

де q _p = витрата, що подається насосом (L min ⁻¹)

V _р = об'єм насоса (см ³)

n _p = частота обертання вала насоса (хв ⁻¹)

У тракторних обприскувачах насос приводиться в дію валом відбору потужності трактора для забезпечення гідравлічної потужності розпилювальної рідини, необхідної для роботи контуру. Гідравлічна потужність буває:

\[ P_{hyd} = pq_{p}/ 60000 \]

де p = тиск контуру (кПа)

q _p = витрата, що виробляється насосом (L min ⁻¹)

У деяких обприскувачах використовуються відцентрові насоси. У цих випадках потік від насоса не буде позитивним зміщенням і буде залежати від тиску, проти якого насос повинен перекачувати.

Регулюючі клапани в контурі забезпечують бажане функціонування обприскувача, контролюючи напрямок потоку та об'єм у різних секціях, а також підтримуючи потрібний тиск рідини, який, в свою чергу, визначає характеристики розпилення та розподілений об'єм.

Малюнок\(\PageIndex{12}\): Робота гідравлічного сопла: рідина, що протікає в корпусі сопла (1) зі швидкістю потоку q _n, розпилюється в краплі, змушуючи її через крихітне отвір (2).

Оскільки тиск є основним параметром для розподілу розпилення, в контурі обприскувача завжди встановлюється манометр з відповідною точністю та діапазоном вимірювань (наприклад, в два рази більше очікуваного максимального тиску).

Форсунки є основним компонентом обприскувача, який розпилює суміш пестицидів та води на краплі, виробляючи спрей із певним малюнком для покриття цілі. Найпоширенішою технологією розпилення в обприскувачах є гідравлічна форсунка (рис. 3.2.12), яка розбиває потік рідини, коли вона виходить під тиском з крихітного отвору на краплі розпилення.

Для даної рідини (тобто для заданої щільності і поверхневого натягу) робочий тиск і площа отвору безпосередньо визначають розмір крапель виробленого спрею. Зокрема, за рахунок збільшення тиску за допомогою конкретного сопла зменшується розмір крапель. І навпаки, при заданому тиску розмір крапель збільшується з площею отвору сопла.

Вимірювання витрати за допомогою контролю тиску

Витрата нагнітання через сопло із заданим розміром отвору можна виміряти, встановивши тиск рідини в контурі перед форсункою. Рівняння Бернуллі, яке описує збереження енергії в проточної рідини, може бути застосовано до потоку рідини в двох точках корпусу сопла: одна в камері сопла перед входом в отвір сопла (точка 1 на рис. 3.2.12), а інша на виході з отвору (точка 2 на рис. 3.2.12). Нехтуючи втратами енергії внаслідок в'язкого тертя, рівняння Бернуллі дає:

\( P_{1} + \frac{1}{2}\rho \nu_{1}^{2} + \rho gz_{1} = p_{2}+ \frac{1}{2} \rho \nu_{2}^{2} + \rho gz_{2} \)

де р ₁ = абсолютний тиск рідини в контурі

p ₂ = атмосферний тиск

ρ = щільність рідини

v ₁ і v ₂ = середні швидкості рідини перед входом в отвір і відразу після нього

g = прискорення за рахунок сили тяжіння

z ₁ і z ₂ = вертикальні положення двох розглянутих точок

З безперервності потоку також очевидно, що:

q _п = А ₁ ⋅ v ₁ = А ₂ ⋅ v ₂

де q _n = витрата через сопло

А ₁ і А ₂ = площа секцій камери сопла і отвору відповідно

Завдяки крихітному діаметру отвору швидкість рідини v ₂ в отворі набагато більше, ніж в камері v _1, якою можна знехтувати в рівнянні. Більше того, через невелику відстань між двома точками, ми можемо розглянути z ₁ z ₂. Рівняння Бернуллі для сопла спрощується, оскільки:

\( p \simeq \frac{1}{2} \rho (\frac{q_{n}}{A})^{2} \)

які можна переставити, приводячи до рівняння сопла:

\[ q_{n} = 1.0 c_{d}A_{o} \sqrt{\frac{2p}{\rho}} \]

де q _n = витрата, що скидається соплом (L min ⁻¹)

1.9 = константа, що виникає в результаті регулювання одиниць

c _d = коефіцієнт розряду, який враховує втрати внаслідок в'язкого тертя через отвір = <1 (десятковий) (зазвичай пропорційний v ₂ ²)

A _o = площа отвору сопла (мм ²)

p = робочий тиск контуру (кПа), т. Е. Р = р ₂ — р ₁ перепад тиску в атмосферу

У практичних застосуваннях рівняння 3.2.16 використовується у вигляді:

\[ q_{n} = k_{n} \sqrt{p} \]

де k _n - коефіцієнт стоку, специфічний для сопла, який включає в себе його конструктивні характеристики та в'язкі втрати. Значення k _n (зазвичай в діапазоні від 0,03 до 0,2 л хв ^{−1 кПа −1/2}) може бути отримано з таблиць тиску потоку, передбачених виробником форсунки.

Рівняння 3.2.17 показує, що розряджену об'ємну норму пестицидно-водної суміші можна змінювати регулюванням тиску в контурі р. Збільшення тиску збільшить швидкість потоку та одночасно зменшить розмір крапель розпилювача. Однак, як правило, існує обмежений робочий діапазон тиску (залежно від типу сопла, це може бути від 150 кПа до 800 кПа, рідко вище), оскільки поза цим діапазоном краплі спрею будуть або занадто великими, або занадто малими. У цьому робочому діапазоні тиску витрата збільшується пропорційно квадратному кореню тиску; якщо потрібні більші зміни швидкості скидання, слід вибрати сопло з іншою площею отвору (тобто різні k _n).

Обприскувач Дозування швидкості

Для необхідної норми внесення AR (відповідної певній дозі пестициду) об'ємна швидкість обприскувача q, що вивантажується в поле, повинна бути встановлена на значення, обчислене за допомогою рівняння 3.2.12, яке включає робочу швидкість і ширину машини. Діливши загальну швидкість відтоку q на кількість форсунок, що оснащують обприскувач, виходить витрата сопла q _n.

Після вибору відповідного сопла (тобто сопла, здатного подавати q _n в межах звичайного робочого діапазону тисків), тиск в контурі повинен бути точно налаштований за допомогою регулюючого клапана, поки значення тиску рідини (читається на манометрі) не буде отримано рішенням Рівняння 3.2.17 для р і використання значення k _n від виробника сопла, тобто:

\[ p = (\frac{q_{n}}{k_{n}})^{2} \]Малюнок

Цей зв'язок також використовується в електронних контролерах обприскувача для досягнення постійної швидкості внесення, коли швидкість обприскувача змінюється, або для регулювання швидкості внесення для різних областей на полах.

Додатки

Розглянуті вище поняття і розрахунки широко використовуються для проектування обладнання рослинництва, а також для налагодження та управління обладнанням відповідно до місцевих умов в індивідуальних господарствах.

Малюнок\(\PageIndex{13}\): Тракторний відвал відвал, що працює в польових умовах.

Грунтообробне обладнання

Плуги використовуються для глибокого обробітку ґрунту і унікальні в русі грунту, оскільки вони інвертують ґрунт майже догори дном, як показано на малюнку 3.2.13. Дискові плуги обробляють ґрунт неглибокими шарами з метою ліквідації бур'янів, розпушування ґрунту та викорчовування посівів, що залишилися після збору врожаю.

На відміну від цього, пристосування з приводом від відбору потужності (такі, як показано на рис. 3.2.14) інтенсивніше обробляють грунт, розбиваючи його на більш дрібні шматки. Інтенсивність регулюється швидкістю обертання осі та швидкістю трактора, що призводить до довжини укусу, як зазначено рівнянням 3.2.4. Працюючі знаряддя ефективніше використовують потужність двигуна трактора, оскільки ковзання коліс через неоптимальні умови колії на полах уникають. Вони менші за довжиною та вагою, ніж первинні ґрунтообробні машини, і тому підходять для комбінування з іншими ґрунтообробними інструментами (наприклад, катками) або сівалками.

Малюнок\(\PageIndex{14}\): Роторний силовий культиватор як приклад ґрунтообробного агрегату з приводом від відбору потужності.

Деякі інші знаряддя, що застосовуються на фермах для первинного і вторинного обробітку ґрунту, проілюстровані на малюнку 3.2.15.

(а)

(б)

Рисунок\(\PageIndex{15}\): (а) Зубчастий культиватор з міжрядковим інтервалом зубців та міжряддям; (б) дисковий культиватор у формуванні типу А для компенсації бічних зусиль.

Посадкове обладнання

Найбільш поширеною технікою при посіві насіння є буріння з дозуванням колесами для кожного ряду, як показано на малюнку 3.2.16. Кожному ряду потрібно дозуюче колесо і леміш. Бункер подає всі ряди і простягається на всю робочу ширину. Дозуючі колеса захоплюють насіння з дна бункера і транспортують їх через нижню заслінку, щоб скинути їх через насіннєві трубки в частку, а звідти в грунт. В результаті насіння не розподіляються в ряду з постійними відстанями, а розміщуються хаотично. Функція маркера (рис. 3.2.16а) полягає в направленні трактора на наступному шляху.

Централізовані бункери дозволяють збільшити потужність висівних машин. Централізований бункер має тільки одне дозуюче колесо, під конічним дном бункера. Повітряний потік транспортує зерно через розподільник до часток за допомогою гнучких труб.

(а)

(б)

Малюнок\(\PageIndex{16}\): (а) Звичайна сівалка; (б) пневматична сівалка.

Насіння можна висівати в добре підготовлений грунт (після вторинної обробки грунту), що є звичайним випадком (рис. 3.2.17), або в інших ґрунтових умовах при мінімальному обробітку ґрунту або відсутності обробітку. Мінімальний обробіток ґрунту обробляє ґрунт без глибокого втручання (наприклад, оранки) і відсутність обробітку ґрунту означає посів без будь-яких маніпуляцій з обробітку ґрунту. Типовою частиною сівалки є бункер для добрив (між трактором і сівалкою; рис. 3.2.17б). Ця комбінація пропонує внесення добрив і посів в один і той же прохід.

Машини, які садять картоплю, пересаджують розсаду і так далі, мають досить різноманітні механізми, в залежності від того, що потрібно висаджувати в грунт. Один із прикладів для картоплі показаний на малюнку 3.2.18а. Ланцюг з уловлювальними чашками проходить через купу картоплі в бункері і забирає картоплю. Якщо на чашці більше однієї картоплини, надлишки картоплі відвалюються в горизонтальному розрізі. Потім картопля транспортується вниз і поміщається на постійній відстані відриву у відкриту борозну.

Трансплантатор рису показаний на малюнку 3.2.18b. Розсаду тримають в лотках, ковзаючи вниз до механізму пересадки. Кривошип для кожного ряду виділить один саджанець і помістити його в грунт.

(а)

(б)

Малюнок\(\PageIndex{17}\): (а) Сівалка тракторна, що працює в добре підготовленому грунті з малими колесами для переущільнення покривного ґрунту після закладення насіння (пшениці); (б) сівалка точного висіву кукурудзи (кукурудзи) в добре підготовлений грунт з більшими колесами переущільнення.

Обладнання для розподілу добрив

Найпоширенішим обладнанням для внесення добрив є відцентровий розкидач (рис. 3.2.19). Ця машина часто приводиться в дію трактором через вал відбору потужності і часто встановлюється на три точкові зчіпки трактора. Великі агрегати (вантажопідйомність бункера понад 1500 кг) можуть мати власні колеса і тягнутися трактором, або монтуватися на вантажівках. Гранули добрив надходять самопливом, за допомогою мішалки, з двох виходів на дні бункера. Площа виходів регулюється через відкатні ворота, які вимірюють масовий відтік Q (кг хв ⁻¹) для контролю швидкості внесення добрив на поле.

(а)

(б)

Малюнок\(\PageIndex{18}\): (а) Пересаджувач картоплі з пристроєм для завершення заповнення стаканчиків; (б) пересадка рису з пристроєм переміщення розсади з лотка в грунт.

Під розетками дозоване добриво падає на обертові диски (діаметром від 30 до 50 см), які надають відцентрову силу гранулам добрив, розподіляючи їх на відстані, які можуть досягати 50 м Проте робоча ширина відцентрових розкидачів зазвичай становить 18-24 м і рідко перевищує 30 м Відцентрові розкидачі не рівномірно відкладають добриво по всій робочій ширині, а скоріше з трикутним малюнком, який вимагає часткового перекриття між двома сусідніми проходами для отримання рівномірного поперечного розподілу всередині поля. Швидкість поля, як правило, коливається від 8 до 12 км год ⁻¹, але плавні умови ґрунту можуть забезпечити застосування швидше, ніж 15 км год ⁻¹.

Дистриб'ютори рідких добрив

Використання рідких мінеральних добрив досить обмежене в Європі, за винятком овочевих культур, де живильний розчин розподіляється обприскувачем (див. наступний розділ) або, набагато частіше, у зв'язку з поливом через системи мікрозрошення (фертигація). З іншого боку, в Північній Америці підживлення рідким безводним аміаком дуже поширене через високий вміст азоту (82%) та низьку вартість. Неохолоджений безводний аміак застосовується з посудин високого тиску, і з ним потрібно звертатися обережно, щоб запобігти небезпечним ситуаціям. Обладнання для нанесення (рис. 3.2.20) включає форсунки, встановлені на грунтообробних ножах, розташованих на відстані 20-50 см один від одного, які досягають глибини 15-25 см в грунті. При доставці в грунт аміак перетворюється з рідини в газ, який реагує з водою і швидко перетворюється в амоній, доступний корінням рослин. Ця молекула міцно прилипає до частинок мінеральних та органічних речовин у ґрунті, допомагаючи запобігти втратам газоподібного або вилуговування.

Малюнок\(\PageIndex{19}\): Відцентровий розкидач добрив, встановлений на триточковій навісці трактора.

Малюнок\(\PageIndex{20}\): Причіпне обладнання для безводного нагнітання аміаку в грунт.

Цистерни шламові

Цистерна для суспензії (рис. 3.2.21) зазвичай використовується для розподілу органічних добрив в районах з тваринництвом. Танкер являє собою причіпну, масивну одиницю обладнання, встановлену на одно- або двовісну раму (або три осі для ємності бака вище 20 м ³), оснащену широкими колесами (до 800 мм) для зменшення ущільнення грунту. У вакуумних танкерах резервуар з нержавіючої сталі під тиском 150-250 кПа для поширення стисненим повітрям, який закачується. Під час заповнення резервуара насос виробляє негативну різницю тиску (вакуум) з атмосферним тиском, що дозволяє суспензії всмоктувати в резервуар гнучкою трубою. Потік суспензії також може бути отриманий при прямому перекачуванні суспензії багатолопатевим насосом.

Малюнок\(\PageIndex{21}\): Двовісний шламовий танкер з грунтовими аплікаторами.

Малюнок\(\PageIndex{22}\): Стріла обприскувача, встановлена на трьох точковому зчіпці трактора

Традиційний розподіл від цистерни для суспензії передбачає дефлектор або розбризкувальну пластину, встановлену на задній частині резервуара. Суспензія впливає на пластину і, таким чином, поширюється по парасольці, що охоплює ширину 4—8 м. бризки пластини були заборонені законодавством в деяких країнах через викиди запаху і втрати поживних речовин (наприклад, шляхом випаровування аміаку), тому вони були замінені грунтовими аплікаторами. Грунтові аплікатори мають кілька шлангів, встановлених на горизонтальній стрілі, що закінчуються причіпними отворами, розташованими на відстані приблизно 20-30 см один від одного, які осаджують суспензію, що протікає через шланг безпосередньо на ґрунт. Грунтовий аплікатор також може бути інжектором, виготовленим із зубця або вертикального дискового інструменту, який робить канавку в землі, куди нагнітається суспензія на глибині від 5 см (для луків) до 15-20 см (просапний грунт).

Для отримання рівномірного розподілу потоку суспензії між кількома шланговими лініями, грунтові аплікатори вимагають прийняття гомогенізатора. Це подрібнювальний пристрій з гідравлічним приводом, який обробляє суспензію обертовими лопатями для різання волокон та засмічень, щоб забезпечити регулярне та рівномірне подавання всіх шлангів, підключених до форсунок.

Обприскувачі

На додаток до загальних функціональних частин обприскувачів (бак, насос, клапани, стріла, форсунки), обприскувачі виготовляються в найрізноманітніших типах для конкретних культур, різних методів застосування, екологічних норм, витрат на придбання тощо CIGR (1999) надає інформацію про різні типи обприскувачів.

Стрілові обприскувачі (рис. 3.2.22) є основним типом, що використовується для захисних обробок польових культур (наприклад, зернових, овочевих та зернобобових культур). Вони названі на честь широкої горизонтальної стріли, де встановлені форсунки. Стріли часто варіюються від 8 до 36 м (а іноді і більше) в ширину, при цьому висота від грунту регулюється від 30 см до більш ніж 150 см, щоб забезпечити хороший малюнок розпилення на рівні цілі. Стріла, як правило, самовирівнюється, щоб зменшити хвилястість руху та забезпечити більш рівномірне нанесення розпилення.

Насадки встановлюються на стріли з типовим інтервалом 50 см, хоча відстань може коливатися від 20 до 150 см в залежності від конкретного застосування і типу насадки. Найбільш використовувана насадка на стрілових обприскувачах - це тип вентилятора, який може виробляти широкий спектр розміру крапель, від середньо-дрібного до грубого розпилення, при низькому тиску (150-500 кПа), що відповідає більшості вимог обприскування польових культур.

Розпилювач стріли зазвичай встановлюється на тракторі за допомогою трьох точкових зчеплення, або у випадку обприскувачів з резервуарами великої місткості (вище 1 м ³), може бути причіпним агрегатом, витягнутим трактором або самохідним. Робоча швидкість може змінюватися, в основному, залежно від польових умов та типу обробки, але під час точних захисних процедур типовий діапазон швидкостей 7-10 км год ⁻¹.

Приклади

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Приклад 1: Норма роботи та своєчасність посіву посівних культур

Проблема:

Фермер має шестирядну сівалку для посадки кукурудзи з міжряддям 75 см. Фермер хоче знати потужність поля сівалки і чи зможе вона успішно посадити 130 га протягом п'яти робочих днів. Якщо ні, то який розмір сівалки міг би зробити це завдання?

Припущення:

• • Швидкість вперед, с, = 9 км h ⁻¹. Це типова величина, яка залежить від посівного ложа (твердість, рівність, залишок і т.д.) і характеристик обладнання
• • Ефективність поля, e _f, = 0,65. Це типове значення дозволяє не посадити час, наприклад, наповнення сівалки насінням та поворот в кінці рядів.
• • П'ять робочих днів. Це дано, але дуже залежить від погоди.
• • Вісім годин на день ефективного польового часу. Це час, коли сівалка доступна для польових робіт і не включає час на підготовку машини, перенесення на поля, перерви оператора та інші позапосадкові заходи.

Рішення

Першим кроком є обчислення ємності поля, C _a, використовуючи Рівняння 3.2.2:

\( C_{a} = 0.1 e_{f}\ w \ s \)(Рівняння\(\PageIndex{2}\))

Нам дано e _f і s. Робочу ширину сівалки, w, можна розрахувати як:

\( \text{number of rows} \times \text{width per row} = 6 \text{ rows} \times 75 \text{ cm row}^{-1} \times (m/ 100 \ cm) = 4.5 m \)

Підставляємо значення в рівняння 3.2.2:

\( C_{a} = 0.1 \times 0.65 \times 4.5m \times 9 \text{ km h}^{-1} = 2.63 \text{ ha h}^{-1} \)

Тому сівалка здатна висаджувати 2,63 га щогодини. Якщо сівалку використовують для посадки на п'ять днів протягом восьми годин щодня, площа, посаджена в цей час, становить:

\( A = (2.63 \text{ ha h}^{-1} \times (5 \text{ days} \times (8 \text{ h day}^{-1}) = 105.2 \text{ ha} \)

Тобто менше, ніж потрібно 130 га. Можливо, працівникам ферми доведеться працювати більше годин, але одним з варіантів для фермера буде отримання більшої сівалки, для якої може знадобитися більший трактор. Наступні розрахунки допомагають менеджеру ферми вибрати обладнання і управляти його використанням.

Потужність поля нової сівалки повинна бути:

\( C_{a} \geq (130 \text{ ha}) / (40 \ h) = 3.25 \text{ ha h}^{-1} \)

Потім шляхом перестановки рівняння 3.2.2 можна обчислити мінімальну робочу ширину:

\( w \geq (3.25 \text{ ha h}^{-1}) (10)/ ( 0.65 \times 9 \text{ km h}^{-1}) = 5.56 \text{ m} \)

Ця ширина відповідає ряду рядів:

\( Nr \geq (5.56 \text{ m}) / ( 0.55 \text{ m row}^{-1}) = 7.41 \text{ rows} \)

Тому фермер повинен отримати 8-рядну сівалку (тобто наступний розмір ринку ≥ 7,41), щоб здійснити посадку 130 га протягом 40 годин роботи.

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Приклад 2: Сила тяги під час оранки

Проблема:

При проектуванні рами та зчіпки плуга інженер повинен знати силу тяги, щоб забезпечити достатню міцність рами та зчеплення. Сила тяги також впливає на вибір трактора, так як сила тяги і швидкість визначають необхідну тягову потужність. Визначити силу тяги, необхідну для тяги плуга зі швидкістю 7 км год ⁻¹ з урахуванням наступних відомостей про плуг:

• • 4-х частковий плуг
• • 1 калібрувальне колесо
• • Вага 5000 Н на колесі калібру
• • Коефіцієнт опору коченню коліс 0,15 калібру
• • Ширина борозни 40 см
• • глибина борозни 30 см
• • 5 N см ⁻² статичний коефіцієнт
• • 0,21 Н с ^{2 м −2 см −2} см ⁻² динамічний коефіцієнт

Рішення

Обчисліть тягове зусилля за допомогою рівняння 3.2.3:

\( F_{z} =nF_{v}\rho _{r} + ikw_{f}d+i\epsilon w_{f}dv^{2} \)(Рівняння\(\PageIndex{3}\))

де F _z = сила тяги (N)

n = кількість коліс коліс = 1

F _v = вертикальна сила = 5000 Н

ρ _R = опір коченню = 0,15

i = кількість відвалів або часток = 4

k = статичний коефіцієнт = 5 Н см ⁻²

w _f = ширина борозни = 40 см

d = глибина борозни = 30 см

ε = динамічний коефіцієнт = 0,21 Н с ² м ⁻² см ⁻²

v = швидкість руху = 7 км h ⁻¹

сила тяги\(F_{z}=1 \times 5000 \times 0.15 + 4 \times 5 \times 40 \times 30 + 4 \times 0.21 \times 40 \times 30 \times 7 = 31,806 \text{ N}\)

Приклад\(\PageIndex{3}\)

Приклад 3: Довжина укусу ротоватора (роторного румпеля)

Проблема:

Визначте прикус, прийнятий кожним лезом на роторному румпелі з такими характеристиками:

• • поворот роторного румпеля зі швидкістю 240 оборотів в хвилину
• • подорож на відстані 5 км год ⁻¹
• • 4 леза на кожному вузлі інструменту

Рішення

Використовуйте рівняння 3.2.4:

\( B = \frac{\nu \ 10,000}{n \ z \ 60} \)(Рівняння\(\PageIndex{4}\))

де B = довжина прикусу

v = швидкість руху = 5 км h ⁻¹

n = швидкість обертання = 240 хв ⁻¹

z = кількість лез на вузол інструменту = 4

Довжина укусу,\( B= 5 \times 1000 / (240 \times 4 \times 60) = 8.68 \text{ cm} \)

Кожне лезо займає укус 8,68 см. Розмір цього укусу вплине на властивості просапного грунту.

Приклад\(\PageIndex{4}\)

Приклад 4: Підживлення азотом відцентровим розкидачем

Проблема:

Проведено тест, щоб визначити, чи рівномірно вноситься азотне добриво при цільовій нормі внесення. Ситуація описується наступним чином:

• • відцентровий розкидач з робочою шириною 18 м
• • швидкість руху 9 км год ⁻¹
• • бажана доза азоту 70 кг _N га ⁻¹
• • аміачна селітра кальцію становить 27% азоту
• • бункер розкидач вміщує 1000 кг аміачної селітри кальцію
• • розкидач випробуваний з лотками 50 см на 50 см для збору внесених добрив
• • на малюнку нижче показана кількість добрив, яке було зібрано в кожному лотку під час тестування розкидача

Проаналізуйте зібрані дані, щоб визначити наступне:

1. (а) витрата розкидача (кг/хв) аміачної селітри кальцію для досягнення бажаної дози азоту
2. (б) час між начинками бункера
3. (c) середня норма внесення і коефіцієнт відхилення від тесту

Рішення

1. (a) Застосовуючи рівняння 3.2.10, кількість аміачної селітри кальцію, необхідної для досягнення 70 кг _N га ⁻¹, становить:
2. \( D = c_{AC} AR \)(Рівняння\(\PageIndex{10}\))

де D = доза застосування = 70 кг _AC га ⁻¹

c _AC = вміст активної сполуки в сировині = 0,27 кг _N кг ⁻¹

AR = норма застосування

Перестановка і використання заданої інформації,

1. \( AR= (70 \text{ kg}_{N}\text{ha}^{-1})/ (0.27 \text{ kg}_{N}\text{kg}^{-1}) = 259.3\text{ kg}\text{ ha}^{-1} \)
2. Це відповідає витраті добрива (Рівняння 3.2.11):
3. \( Q = AR \ w \ s / 600 \)(Рівняння\(\PageIndex{11}\))
4. \( Q = (259.3 \text{ kg ha}^{-1}) \times 18 \text{ m} \times 9 \text{ km min}^{-1} / 600 (\text{min h}^{-1}) (\text{ m km ha}^{-1}) = 70 \text{ kg min}^{-1} \)
5. Тому витрата з розкидача необхідно регулювати до 70 кг хв ⁻¹.
6. (b) Час між заливками - це час, необхідний для розповсюдження всіх добрив з розкидача:
7. \( t = 1000 \text{ kg} / (70 \text{ kg min}^{-1}) = 14.3 \text{ mins} \)
8. Бункер необхідно поповнювати кожні 14,3 хвилини.
9. (c) Середню кількість внесеного знаходять шляхом підсумовування кількості добрив в лотках і ділення на кількість лотків:
10. \( \bar{x} = (6.95+7.25+6.30+ …+6.80)/11=6.62\text{ g} \)
11. Середню швидкість нанесення можна знайти, розділивши цю кількість на площу поверхні лотка:
12. \( \text{Mean AR} = \bar{x}/(\text{area of tray}) \)
13. \( = (6.62 \text{ g}) \times (\text{kg}/1000 \text{ g}) / [(0.5 \text{ m}) \times (0.5 \text{ m}) \times (\text{ ha} /10000 \text{ m}^{2})]=264.8 \text{ kg ha}^{-1} \)
14. Це близьке до бажаної ставки, але являє собою помилку:
15. \( [(264.8 - 259.3)/259.3] \times 100\text{%}=2.1 \text{% error} \)

Рівномірність розподілу кількісно визначається коефіцієнтом варіації (CV) зібраного матеріалу, як показано рівнянням 3.2.6:

1. \( CV = \frac{\sqrt{\frac{\sum{(x_{i}-\bar{x})^{2}}}{N-1}}}{\bar{x}} 100\text{%} \)(Рівняння\(\PageIndex{6}\))

де CV = коефіцієнт варіації (%)

N = кількість вимірюваних зразків

x _i = кількість добрив, зібраних у кожному лотку (г)

\(\bar{x} \)= середня кількість (г)

Тобто, використовуючи відповідні значення, наведені на тестовому малюнку добрива:

1. \( CV = \sqrt{\frac{(6.95-6.62)^{2} + (7.25-6.62)^{2} + (6.30 - 6.62)^{2}+…+(6.80-6.62)^{2}}{11-1}}\times \frac{100 \text{%}}{6.62} = 6.2 \text{%} \)
2. Оскільки коефіцієнт варіації під 10% вважається хорошим, польовий тест показує, що розкидач працює задовільно.

Приклад\(\PageIndex{5}\)

Приклад 5: Налаштування тиску обприскувача

Проблема:

Обробку фунгіцидом слід обприскувати на культуру з нормою внесення, AR = 250 л га ⁻¹. Для такого виду обробки фермер встановлює форсунки, які подають потік q _n = 1,95 л хв ⁻¹ при тиску в контурі 400 кПа. (Цю інформацію надає виробник сопла.) Визначте належний тиск, який потрібно встановити в контурі обприскувача, щоб розподілити фунгіцид з потрібною швидкістю внесення.

Припущення:

• • ширина стріли, w, = 24 м з типовим інтервалом між соплом, d, = 50 см
• • швидкість руху вперед, s, = 8 км h ⁻¹, звичайна для обробки фунгіцидами (залежить від умов вітру)

Рішення

Першим кроком є обчислення об'ємної швидкості q (L min ⁻¹), необхідної для розподілу швидкості внесення, застосовуючи Рівняння 3.2.12:

\( q = AR \ w \ s / 600 \)(Рівняння\(\PageIndex{12}\))

Підставляємо задані значення в рівняння:

\( q = 250 \text{ L ha}^{-1} \times 24 \text{ m} \times 8 \text{ km h}^{-1} / 600 = 80 \text{ L min}^{-1} \)

Кількість форсунок, що оснащують стрілу, становить:

\( (24 \text{ m}) / (0.50 \text{ m nozzle}^{-1}) = 48 \text{ nozzles} \)

Необхідна витрата на сопло q _n становить:

\( q_{n}=(80 \text{ L min}^{-1}) / (48 \text{ nozzles}) = 1.67 \text{ L min}^{-1} \)

Для того, щоб вибрати налаштування тиску для отримання необхідного потоку 1,67 л хв ⁻¹, нам потрібно обчислити для цих сопел коефіцієнт розряду k _n Рівняння 3.2.17:

\( q_{n}= k_{n} \sqrt{p} \)(Рівняння\(\PageIndex{17}\))

Підставивши значення, передбачені виробником сопла (q _n = 1,95 л min ⁻¹, p = 400 кПа) знаходимо:

\( k_{n} = \frac{1.95 \text{ L min}^{-1}}{\sqrt{400 \text{ kPa}}} = 0.0975 \)

Потім за рівнянням 3.2.18 обчислюємо задане значення тиску в контурі обприскувача:

\( p = (\frac{q_{n}}{k_{n}})^{2} \)(Рівняння\(\PageIndex{18}\))

\( p = (\frac{1.67}{0.0975})^{2} = 293 \)

Таким чином, дозуючий клапан доводиться регулювати до тих пір, поки тиск в контурі не буде показаний 293 кПа (2,93 бар) на манометрі.

Зображення Кредити

Малюнок 1. Оберті, Р. (CC By 4.0). (2020). Типові операції, що займаються вирощуванням польових культур.

Малюнок 2. Оберті, Р. (CC By 4.0). (2020). Місткість поля машини.

Малюнок 3. Шульце Ламмерс, П. (CC By 4.0). (а) Корпус плуга відвал. (б) Зубило зубця культиватора. (c) Дисковий плуг.

Малюнок 4. Шульце Ламмерс, П. (CC By 4.0). Розподіл насіння (а) просвердлене насіння, (б) смугове насіння, (в) трансльоване насіння, (г) точне посівне насіння.

Малюнок 5. Шульце Ламмерс, П. (CC By 4.0). Шиповане насіннєве колесо для дозування насіння, з нижньою заслінкою для регулювання розміру насіння.

Малюнок 6. Шульце Ламмерс, П. (CC By 4.0). (а) осадження насіння, пробурено. (b) Частота відстаней насіння, просвердлених.

Малюнок 7. Шульце Ламмерс, П. (CC By 4.0). Рифлена труба з пластиною для розподілу насіння по колу в насіннєві трубки і осередкове колесо детально.

Малюнок 8. Шульце Ламмерс, П. (CC By 4.0). Сівалка точного висіву для висіву насіння для розміщення насіння з певним інтервалом, (а) механічне відсівання клітинним колесом. (б) пневматичний одиночний пристрій з комірковим колесом.

Малюнок 9. Оберті, Р. (CC By 4.0). (2020). Зменшення розміру крапель.

Малюнок 10. Оберті, Р. (CC By 4.0). (2020). Принципова схема обприскувача.

Малюнок 11. Манкастроппа С. (CC By 4.0). Мембранний насос.

Малюнок 12. Оберті, Р. (CC By 4.0). (2020). Робота гідравлічного сопла.

Малюнок 13. Шульце Ламмерс, П. (CC By 4.0). Тракторний навісний відвал плуг працює в польових умовах.

Малюнок 14. Шульце Ламмерс, П. (CC By 4.0). Роторний культиватор як приклад ґрунтообробного агрегату з приводом від відбору потужності.

Малюнок 15. Шульце Ламмерс, П. (CC By 4.0). (а) Зубчастий культиватор з інтервалом між рядками та інтервалом між зубцями (б) Дисковий культиватор у формуванні типу А для компенсації бічних зусиль.

Малюнок 16. Шульце Ламмерс, П. (CC By 4.0). (а) Звичайна сівалка. (б) Пневматична сівалка.

Рисунок 17. Шульце Ламмерс, П. (CC By 4.0). (а) Сівалка тракторна навісна, що працює в свердловині, підготовленій невеликими колесами для ущільнення покривного ґрунту після закладення насіння (пшениці). (b) Сівалка точного висіву кукурудзи в добре підготовлений грунт з більшими колесами ущільнення.

Малюнок 18. Шульце Ламмерс, П. (CC By 4.0). (а) Трансплантатор картоплі з пристроєм для завершення заповнення чашок захоплення. (б) Пересаджувач рису з пристроєм переміщення розсади з лотка в грунт.

Малюнок 19. Манкастроппа С. (CC By 4.0). Відцентровий розкидач добрив.

Малюнок 20. Манкастроппа С. (CC By 4.0). Устаткування для безводного аміаку.

Малюнок 21. Манкастроппа С. (CC By 4.0). Цистерна для шламу.

Малюнок 22. Манкастроппа С. (CC By 4.0). Розпилювач стріли.

Приклад 4. Оберті, Р. (CC By 4.0). (2020).

Посилання

Стандарти ASABE. ANSI/ASABE S572.1: Класифікація розпилювальних сопел за спектрами крапель. Сент-Джозеф, М.І.: ASABE.

СИГР. (1999). Інжиніринг рослинництва. У Б.А. Стаут та Б. Чезе (ред.). Довідник CIGR сільськогосподарського машинобудування (том 3). Сент-Джозеф, штат Мічиган: ASAE.

Горячкін В.П. Собрание сочиненій (т. 2). Москва: Колоу Прес.

Хеге, Г.Дж. (1993). Виконання способів висіву зернових культур, ріпаку та квасолі. Транс. АСАЕ, 36 (3): 653-661. https://doi.org/10.13031/2013.28382.

Мюллер, Дж., Родрігес, Г., і Коллер, К. (1994). Оптико-електронна вимірювальна система для оцінки міжряддя насіння. Агент '94 Міланський звіт № 94-D-053.

Шилінг, Е. Ландмашінен (2-е изд., стор. 288).