Оптимизация параметров аэрационного дренажа

Предметом нашего исследования явилась разработка новой технологии эффективного аэрационного дренажа (АД), как одного из основных и доминирующих агромелиоративных приемов улучшения состояния тяжелых почв на хлопковых полях Туркменистана. Успешность использования этого вида дренаж для повышения продуктивности растениеводства подтверждена в практике сельскохозяйственного производства в бывшем СССР и за рубежом. Однако, исследования возможностей регулирования водно-воздушного, теплового и солевого режимов тяжелых почв на хлопковых системах проводились не в полной мере, что и обусловило направление наших исследований.

Объектом исследований служили малопродуктивные земли хлопкосеяния систем, на которых были отмечены процессы уплотнения подпахотных горизонтов, образование так называемой «плужной подошвы» и засоление почвы. Урожайность хлопчатника на этих полях не превышала 13 – 15 ц/га. Мы считали наиболее актуальным исследования параметров АД и определение их оптимальных значений, а также создание прогрессивной технологии его устройства для повышения качества работ при строительстве дренажных систем и их надежности в процессе эксплуатации.

Выбор оптимальных параметров дренажа и оборудования для его осуществления базируется на следующих предположениях: площади почвогрунтов, на которых АД дает положительный эффект в значительной степени превышает реальные возможности его проведения; ограничение средств, которые возможно выделить в настоящее время на проведение этих работ, а также на развитие машиностроительной базы.

Исходя из этого рациональным вариантом достижения цели является достижение максимального экономического эффекта за счет дополнительной прибыли от повышения урожайности хлопчатника на почвогрунтах, подверженных проведению АД с учетом приведенных затрат и предельных ассигнований на его выполнение.

Целевая функция оптимизации параметров АД, учитывающая экономический эффект за счет повышения урожайности, выражается следующей зависимостью (цены 1991 года, в рублях):

                                         /1.1/

Э– экономическая эффективность нарезки АД, руб;

 - прирост урожая хлопчатника на i - м участке в результате проведения АД на j - й год после нарезки;

 - закупочные цены на хлопок, на  i -м участке в j -й год после нарезки, руб./ц;

 - дополнительные расходы, связанные с увеличением производства хлопка за счет нарезки АД на i -м типе участка в j -й год после нарезки, руб./ц;

 - приведенные затраты на проведение нарезки АД участка i-го типа (с учетом затрат на перебазировку), руб./га;

 - площадь i -го типа участков, характеризуемых определенными агропреобразованиями к нарезке АД и величиной дополнительного урожая хлопка, га;

n - общее число рассматриваемых севооборотов;

m - срок действия АД, лет.

Составление целевой функции /1.1/ основано на использовании принципов оптимизации парка машин (5). Раскрытие функции /1.1/ основано на выявлении связи между параметрами AД и повышением урожайности хлопка.

Критерием выбора параметров АД на отдельных участках служат локальные оптимумы функции /1.1/. Получение локальных оптимумов сопровождается значительными затратами на единицу площади. Кроме того, нарезка АД с локальными параметрами является практически невозможной и малорентабельной.

Выбор рационального критерия оптимизации получим сопоставляя изменение прироста урожайности при различных параметрах аэрационного дренажа:

Затрат на нарезку аэрационного дренажа:

В первом приближении допускаем, что затраты независимы от класса трактора и технологии проведения работ (при условии достижения заданных параметров АД – глубины нарезки  и частоты нарезки ).

В связи с тем, что прирост урожайности  плавно возрастет, асимтотически приближаясь к максимуму (когда дальнейшее увеличение глубины и частоты нарезки АД практически не влияет на урожайность хлопка), а затраты  ускоренно возрастают в связи с переходом к тракторам большого класса тяги или введением дополнительных проходов, их отношение должно иметь экстремум (учитывая, что  ).

Поэтому при общих фиксированных затратах нарезки АД на каждом севообороте целесообразно принять критерием оптимизации максимальный эффект, приходящийся на единицу затрат при нарезке АД:

                                             /1.2/

Таким образом,  позволяет получить максимум целевой функции /1.1/.

Для проверки данного предположения рассмотрим результаты нарезки АД в зоне выращивания хлопка.

По опытам, проведенным в ТуркменНИИГиМ, нарезка АД на глубину 0,6 м кротователем НАД-2-60 дает прибавку урожая хлопка в среднем 7,7 ц/га при расстоянии между проходами 0,9 м. Дальнейшее увеличение глубины и уменьшение расстояние между дренами практически мало влияет на урожайность. Известно, что при выращивании хлопка прибавка стоимости дополнительной продукции в последующие годы не превышает 5 - 7% прибавки урожайности в первый год, поэтому в первом приближении можем принять m = 1.

На основании исходных материалов, приведенных в работе (5), нами были определены значения составляющей , так, для хлопка =3,5 руб./ц. Закупочная цена на хлопок =171,4 руб./ц. (4). Фактическая стоимость АД в условиях опытов составляла при расстоянии нарезки 60 см – от 35 до 36 руб./га, при расстоянии 90 см – от 30  до 31 руб./га.

По этим данным строим графики, отражающие стоимость дополнительной продукции, затрат на проведение АД и функции 1.2, которые приведены на рис.1.

Их анализ показывает, что оптимальные параметры АД (расстояние между дренами) в условиях опыта составляют 90 см. Полученные данные могут быть получены и для других типов почв и различных сельскохозяйственных культур.

Определенным параметрам АД соответствуют определенные затраты на его проведение. При совершенствовании кротователей эти затраты будут снижаться.

Общие затраты на выполнение работ кротователями k - типоразмеров на i -х участках выражаются зависимостью:

                                            /1.3/

При ограничениях:

                                                                        /1.4/

Формула /1.4/ показывает выполнение работ в пределах севооборота, нуждающемся в кротовании:

                                                                        /1.5/

Формула /1.5/ показывает сумма выделенных капиталовложений.

                                                                                               /1.6/

Формула /1.6/ для эксплуатационного кротования – наличие севооборотов, свободных от посевов сельскохозяйственных культур.

                                                            /1.7/

Формула /1.7/ показывает суммарное время работы агрегата k - того типоразмера.

З - затраты на проведение кротование при севообороте S, руб.;

 - количество кротователей k -го типоразмера, шт.;

 - время обработки i -того участка кротователем k -того типоразмера, час;

 - возможное время обработки поля, занятого определенной сельскохозяйственной, культурой, и зависящее от длительности чистого поля перед посевом, час;

 - время использования кротователя k -го типоразмера в  течение года, час;

 - эксплуатационная производительность кротователя k -го типоразмера при определенных для участка i - глубине и ширине нарезки кротовин, га/час;

 - прямые затраты на обработку одного гектара кротователем k -го типа с оптимальными для i -го участка параметрами, руб./га;

 - характеристический параметр кротователя k -го типоразмера;

 - балансовая стоимость кротователя k -го типа (с учетом использования трактора - тягача на других работах, руб.;

K - общий размер капиталовложений, выделенных на приобретение оборудования и обеспеченных соответствующими фондами, руб.;

k - шифр типоразмера кротователя;

х - общее число типоразмеров кротователей;

 - время переналадки и перебазировки кротователя при обработке севооборотов i и i+1.

Исходя из агротехнических требований, предъявляемых к рыхлению-кротованию функцию 1.1 представим в виде:

      /1.8/

где:

                                               /1.9/

 - стоимость дополнительного урожая хлопка за вычетом затрат на уборку и транспортировку, руб./га;

 - стоимость машино-часа эксплуатации рыхлителя-кротователя k -го типоразмера, руб./час;

 - производительность кротователя k -го типоразмера при оптимальных для i -го участка параметрах обработки, га-час;

 - среднее затраты на перебазировку кротователя k -го типоразмера, руб.;

 - среднее количество перебазировок кротователя k -го типоразмера.

Ввиду зависимости объема исходных параметров выполнения АД для каждого из регионов расчетов по подбору типов кротователей, базовых машин и технологии нарезки кротовин следует производить с использованием ЭВМ.

Частично анализ зависимости /1.8/ позволяет наметить пути повышения эффективности работы специализированных кротователей:

- обеспечение изменения параметров нарезки для достижения оптимального аэрационного состояния в различных почвогрунтах соответствующего региона;

- повышение производительности кротователей при условии оптимальных параметров АД;

- сокращение времени на переналадку и перебазировку, позволяет увеличить время работы кротователей;

- задействование в работу тракторов, которое имеются в хозяйствах;

- оптимизация выбора тракторов различных классов тяги, обеспечивающая наиболее полную загрузку и снижение энергозатрат.

Для выбора и обоснования ряда кротователей оптимизации подлежит величина Х по критерию /1.8/ и  компоновочные схемы кротователей.

Главным параметрам по выбору типоразмерного ряда кротователей принят класс тяги трактора, с которым агрегатируются кротователи. Основными параметрами принимаем – диапазон изменения количества одновременно работающих стоек и максимальное их заглубление.

Необходимо отметить, что выбор трактора определенного класса тяги на каждом севообороте обосновывается глубиной нарезки кротовых дрен. Поэтому в каждом конкретном случае следует обосновать оптимальную схему кротования, исходя из аналитических зависимостей /1.1 – 1.8/.

Предполагаем, что для каждой схемы проведения кротования, состояния грунтов, севооборота и других факторов, влияющих на повышение урожая хлопка, определены и задаются оптимальные параметры производства работ – глубина и частота нарезки дрен, определяемые по максимуму функции /1.2/.

В соответствии со схемой разработки блок - схемы оптимизации выбора типов кротователей и режимов их работы. Программа предназначена для расчета на ЭВМ ЕС-1035 приведенных затрат на кротование при различных условиях выполнения работ. Программа учитывает технико-экономические показатели и технологические параметры новых кротователей, что позволяет определить рациональные области применения кротователей каждого типа в зависимости от силы тяги трактора, площади севооборота, технологии нарезки АД.

Реализация рассмотренных предложений по выбору параметров кротователей предлагается на основе анализа схемы (рис.2/.

В процессе работы были определены расчетные параметры приведенных затрат при нарезке АД на участках различной площади (S = 50; 100; 150 га), при длине прохода ( = 100; 500 м) и дальностью перебазирования с участка на участок ( = 10; 20; 30 км).

Удельные приведенные затраты на кротование и результаты расчетов приведены на графиках (рис.3).

Анализ расчетов свидетельствует о том, что кротователи на базе тракторов класса 4  т.с. рационально использовать при нарезке АД на среднеуплотненных грунтах m < 10 Н/см², при интервале между проходами 0,9 м. При повышении длины прохода от 100 до 150 м средняя стоимость нарезки дрен на 1 га уменьшается на 5%.

     На умеренно уплотненных грунтах (m=15 Н/см²) кротование следует проводить одностоичными кротователями, агрегатируемыми тракторами класса 4 т.с.

На сильно уплотненных почвах (m = 20 Н/см²) кротование следует проводить кротователями, агрегатируемыми тракторами класса 4 т.с. с предварительным проведением вспашки. Технико-экономические расчеты свидетельствуют о том, что нарезка кротовых дрен на расстоянии 0,9 м наиболее целесообразно проводится двухстоечными кротователями.

Расчеты выполнены для нарезки АД на глубину 0,5 – 0,6м, которая характерна для основного объема грунтов.

Следует отметить, что выбор компоновочной схемы кротователей рекомендуется производить в зависимости от отношения – ε номинальной силы тяги трактора  и сопротивления резанию одной стойкой на максимальную глубину в данном диапазоне (). Параметры рабочего органа определены из условия резания на критический глубине и обеспечивают минимальную энергоемкость процесса кротования. Расчетные нагрузки на рабочий орган кротователей при блокированном резании определен и рекомендован (1,2,3).

Установлено, что при нарезка АД в аридной зоне позволяет улучшить водно - воздушный режим почвы за счет перераспределения влаги нижележащие подпахотные горизонты и ее аккумуляции в грунтовом массиве 0-60 см по глубине. При этом значительно улучшается экологическая обстановка, сокращается поливная и промывная норма до 15%, предотвращаются повышения уровня грунтовых вод и процесс засоления. Для осуществлений нарезки АД разработана конструкции рабочего оборудования НАД-2-60, которая в 1990 году прошли ведомственный приемочный испытания и рекомендована к широкому внедрению в хозяйствах республики. Новизна технического решения рабочего оборудованиям защищена авторским свидетельством (1).

Технико-экономические расчеты показали, что нарезка АД позволяет снизить эксплуатационные расходы до 30%, сократить поливную норму на 15%, обеспечить оптимальной водно-воздушной режим почвы в аридной зоне и повышает урожайность хлопчатника до 7,7 ц\га.

 

ВЫВОДЫ

1. Сформированы основные требования к конструкции и технологии устройства АД на тяжелых грунтах аридной зоны.

2. Установлена закономерность изменения плотности влагоемкости и фильтрационных свойств почвогрунтов в процессе нарезки АД.

3. Разработана технология устройства АД с применением принципиально нового способа и конструкции нарезки кротовин, основанного на протаскивании ступенчатого пассивного ножа с двумя параллельно установленными остроусеченными дренами, размещенными скосами друг к другу и жестко соединенными между собой.

4. Предложены зависимости и получены экспериментальные подтверждения расчета новой конструкции кротового дренажа, позволяющие повысить эффективность и срок службы кротовин до 4 лет.

5. Установлены зависимости расчета тяговых сопротивлений кротователей, учитывающие конструктивно новые решения нож-стойки и дренеров, позволяющие снизить энергоемкость процесса разрушения грунта до 25 %.

6. Разработана методика выбора рациональной области использования АД и оптимизации основных параметров кротователей.

 

Литература:

1. А.с. 1751263 /СССР/. Устройство для нарезки кротовин  /Хоммадов  К., Данатаров А. –Москва. 1992. Бюл.№28.
2. Данатаров А. Об экологической напряженности в аридной зоне. //Тезисы докладов Международной конференции. 16-17 сентября 1993г. Экологические проблемы при орошении и осушении: часть  I. –Киев. –с.7-8.

3.      Данатаров А., Сапаров К.Б. Устройство аэрационного дренажа в аридной зоне. Мелиорация и водное хозяйства. Международный научный журнал –Москва. 1994г. №2. с. 34-36.

4. Методические указания по состоянию производственно-финансового плана сельскохозяйственного предприятия. Часть II. ВГО «Союз учет издат». М., 1987г. –32с.
5. Киртбая Ю.К. Элементы теории оптимальных параметров мобильных сельскохозяйственных агрегатов //Тракторы и сельхозмашины. – 1969г. №10. – с.23-25.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

			Класс тяги трактора
Параметры кротодренаж-ного орудия			Категория грунта			Коэф. использ. тяговой мощн. трактора к=Рт/Рс			Удельные приведенные затраты
Тип рабочего органа			Сопротивле-ние резанию
			Прочностные характеристики грунта
mсв  ≤10 н/см2				10 - 15 н/см2				15 - 20 н/см2
	Конструктивные и технологические параметры кротователей-рыхлителей
	Сплошное кротование						Полосное кротование
Энергонасы-щенность				Оптимизация параметров кротователя				Типоразмерный ряд кротователей

 

Рис. 2. Схема рационального выбора и комплектования тракторных агрегатов различного класса тяги с рыхлителями – кротователями.