Обґрунтування параметрів інокуляції посівного матеріалу для просапних сівалок

Abstract

Дисертаційна робота присвячена удосконалення конструкції технічних засобів передпосівної обробки насіннєвого матеріалу сільськогосподарських культур шляхом інтеграції інокуляційного модуля у висівну трубку пневматичної сівалки. Вирішення цієї проблеми дозволяє суттєво підвищити продуктивність та експлуатаційну ефективність сучасних посівних комплексів шляхом автоматизації процесу локальної безтравматичної обробки посівного матеріалу рідкими біологічними препаратами синхронно з висівом. Такий технологічний підхід гарантує збереження цілісності захисних оболонок насіння, забезпечує максимальну життєздатність мікроорганізмів-інокулянтів, сприяє стабільному підвищенню врожайності та мінімізує питомі витрати препарату. Впровадження подібних інженерних рішень є стратегічно важливим завданням для переходу до сталих методів землеробства та розвитку агропромислового комплексу сучасної України. Об’єкт дослідження – робочий процес автоматизованого інокуляційного модуля у складі висівної пневматичної просапної сівалки. Предмет дослідження – вплив конструктивно-режимних параметрів роботи інокуляційного модуля висівного апарату на формування багатофазного потоку робочої рідини. Мета та завдання досліджень. Метою роботи – поліпшення передпосівної обробки насіннєвого матеріалу сільськогосподарських культур шляхом удосконалення конструкції висівної трубки пневматичної сівалки інокуляційним модулем. Для досягнення поставленої мети було сформульовано та вирішено такі завдання: ‒ провести аналіз існуючих технологій та технічних засобів для передпосівної обробки насіннєвого матеріалу, спрямований на виявлення причин механічного мікротравмування посівного матеріалу та зниження життєздатності мікроорганізмів; – обґрунтувати конструктивно-технологічну схему та розробити інокуляційний модуль для локального нанесення препарату (in-furrow) безпосередньо у висівній трубці пневматичної сівалки (на прикладі Vega 8 Profi); ‒ розробити математичну модель та дослідити гідродинамічні закономірності процесу взаємодії аерозольного потоку рідини з насіниною під час її вільного падіння для аналітичного визначення раціональних параметрів роботи інокуляційного модулю; – дослідити механізми взаємодії аерозольної хмари з насіниною під час її вільного падіння методами обчислювальної гідродинаміки (CFD) та аналітично визначити раціональні режими роботи гідросистеми (тиск та діаметр сопла); ‒ розробити експериментальний лабораторний стенд та провести фізичне моделювання процесу для перевірки адекватності математичної моделі й експериментального обґрунтування раціональних конструктивно режимних параметрів розпилення; ‒ провести випробування модернізованого посівного агрегату у експлуатаційних умовах для оцінки агротехнічної ефективності розробленої системи (її впливу на біометричні показники рослин та врожайність кукурудзи) порівняно з традиційними методами обробки; ‒ виконати техніко-економічне обґрунтування доцільності та фінансової рентабельності впровадження розробленого інокуляційного модуля у реальний сільськогосподарський виробничий процес. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання дослідження, визначено об’єкт і предмет, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, а також наведено дані щодо апробації роботи та кількості опублікованих праць. У першому розділі здійснено аналіз сучасного стану проблеми механізації процесу локального дозування рідкої фази. Встановлено, що існуючі технології завчасної обробки (із застосуванням шнекових чи барабанних змішувачів) мають суттєвий недолік – механічне мікротравмування дисперсного матеріалу та зниження життєздатності активної біологічної фази до моменту висіву. На основі проведеного аналізу обґрунтовано доцільність переходу до локального методу внесення (in-furrow) та запропоновано інноваційну конструктивно-технологічну схему інокуляційного модуля, що інтегрований безпосередньо у висівний апарат пневматичної сівалки, що виключає травмуючу дію на матеріал. У другому розділі викладено результати теоретичних досліджень робочого процесу системи. Розроблено аналітичний апарат, що описує просторово-часову динаміку руху багатофазного аерозольного потоку. Створена математична модель комплексно враховує взаємозв’язок між вихідними гідравлічними параметрами форсунки, кінематикою вільного падіння об'єкта обробки в обмеженому просторі висівної трубки та фізико механічними процесами адгезії крапель. З використанням методів чисельного моделювання багатофазних потоків (CFD) та методу скінченних об'ємів (FVM) у програмному середовищі ANSYS Fluent досліджено просторову картину процесу локального розпилення. Це дозволило візуалізувати розподіл полів швидкостей і тиску, а також детально вивчити механізм кінематичної взаємодії дискретної фази з поверхнею об'єкта обробки. Встановлено критичні фактори впливу на масу утриманої рідини, зокрема доведено нелінійну залежність ефективності покриття від кінетичної енергії крапель. Її надлишок спричиняє пружний відскок рідини, а нестача призводить до аеродинамічного знесення мікрокрапель супутнім потоком. Шляхом розв’язання задачі нелінійної оптимізації та побудови просторових номограм визначено теоретично раціональні параметри функціонування інокуляційного модуля. Аналітично доведено, що використання розпилювача з діаметром сопла 0,3 мм за робочого тиску нагнітання 0,4 МПа забезпечує оптимальний баланс між кінетичною енергією крапель та силами поверхневого натягу. Зазначена комбінація гарантує прецизійне нанесення на одиничний об'єкт цільової дози робочої рідини (0,0025 г) за мінімальної питомої витрати (2,15 л/га), що закладає теоретичне підґрунтя для ресурсоощадності розробленого модуля. У третьому розділі обґрунтовано загальну програму та методику проведення лабораторних і натурних польових експериментів. Експериментально доведено правомірність використання води як модельної рідини під час лабораторних дослідів (відхилення за густиною від робочого розчину не перевищує 0,6%). Для фізичної імітації процесу локального нанесення розроблено та виготовлено оригінальний експериментальний стенд, оснащений мікропроцесорною системою регулювання тиску та деталями, створеними за допомогою адитивних 3D-технологій. Дослідження проводилися за матрицею повного факторного експерименту з використанням високоточного гравіметричного методу контролю маси. Також у розділі наведено характеристику ґрунтово кліматичних умов проведення польових випробувань, обґрунтовано вибір тестової культури (кукурудзи) та описано процес модернізації базового машинно-тракторного агрегату (трактор МТЗ-82 та сівалка Vega 8 Profi) розробленим інокуляційним модулем для роботи в реальних виробничих умовах. У четвертому розділі наведено результати комплексної практичної верифікації розроблених моделей та оцінено загальну ефективність функціонування інокуляційного модуля в натурних умовах. За результатами лабораторно-стендових досліджень, із застосуванням критерію Фішера (𝐹) та регресійного аналізу (𝑅2), експериментально підтверджено високу адекватність теоретичної математичної моделі. Отримано емпіричне рівняння для програмного керування системою та остаточно верифіковано раціональні параметри: тиск нагнітання 0,4 МПа і діаметр сопла 0,3 мм. Польові випробування модернізованого посівного агрегату довели беззаперечну технологічну перевагу розробленого модуля над традиційними методами обробки. Його застосування дозволило повністю усунути механічне травмування обробленого матеріалу, що сприяло інтенсифікації вегетативного розвитку рослин (збільшення висоти на 11,6%) та забезпечило стабільний приріст урожайності кукурудзи на 9%. Завершує розділ техніко-економічне обґрунтування, яке підтвердило високу експлуатаційну рентабельність запропонованого інженерного рішення; впровадження системи підвищує додатковий чистий прибуток у розмірі 4 320 грн/га порівняно з базовою технологією висіву, повністю демпфуючи витрати на робочу рідину та амортизацію обладнання. Відповідно до поставленої мети та задач у роботі отримані наступні результати: – встановлено, що головною причиною зниження ефективності існуючих технологій передпосівної обробки є механічне мікротравмування насіннєвого матеріалу (до 3,0 %) та зниження життєздатності мікроорганізмів під час перемішування, що обґрунтовує необхідність переходу до безтравматичних систем локального нанесення; – обґрунтовано конструктивно-технологічну схему та розроблено експериментальний зразок інокуляційного модуля, адаптованого до висівної трубки пневматичної сівалки (на прикладі Vega 8 Profi), який забезпечує локальне нанесення препарату за технологією in-furrow; – розроблено математичну модель, яка аналітично описує гідродинамічні закономірності та просторово-часову динаміку процесу взаємодії аерозольного потоку рідини з насіниною під час її вільного падіння; – визначено механізми взаємодії аерозольної хмари з насіниною на основі методів обчислювальної гідродинаміки (CFD) та аналітично обґрунтовано раціональні режими роботи гідросистеми: робочий тиск 0,4 МПа та діаметр сопла 0,3 мм; – створено експериментальний лабораторний стенд, за допомогою якого проведено фізичне моделювання процесу, експериментально підтверджено раціональні конструктивно-режимні параметри та доведено високу адекватність розробленої математичної моделі (розрахунковий критерій Фішера 𝐹𝑝 = 2,85 ≤ 𝐹т = 4,08); – отримано результати натурних польових випробувань, які підтверджують високу агротехнічну ефективність модернізованого посівного агрегату: використання системи усуває пошкодження насіння та забезпечує приріст урожайності кукурудзи на 9% порівняно з традиційними методами обробки; – доведено економічну доцільність впровадження розробленого інокуляційного модуля: розрахунки засвідчили, що інтеграція системи у виробничий процес гарантує фінансову рентабельність та генерує додатковий чистий прибуток у розмірі 4 320 грн з гектара. Наукова новизна одержаних результатів: Вперше: ‒ визначенні закономірності взаємодії аерозольного потоку робочої рідини з насіниною при її вільному падінні в каналі насіннєпроводу, які дають змогу обґрунтувати інокуляційного модуля; конструктивно-режимні параметри роботи ‒ визначені закономірності впливу режимних параметрів гідросистеми інокуляційного модулю на кінцеву масу утриманого на насінині біологічного препарату при переході до припосівного нанесення, яке повністю дає змогу усунути механічне мікротравмування. Удосконалено: ‒ метод моделювання гідродинамічної взаємодії багатофазного аерозольного потоку з фізичними об’єктами, у якій враховано кінетичну енергію крапель та сили аеродинамічного опору, що дає змогу кількісно оцінити осідання цільової маси біологічного препарату; – метод проектування пневмогідравлічних систем локального дозування, що на відміну від відомих, базуються на інтеграції алгоритмів мікропроцесорного управляння дрібнодисперсним розпиленням в обмеженому просторі висівного апарата для цільового просторового покриття посівного матеріалу в динаміці руху. Отримало подальший розвиток: ‒ методика обґрунтування конструктивно-режимних параметрів інокуляційного модуля пневматичної сівалки, яка, на основі поєднання методів чисельного моделювання багатофазних потоків (CFD-аналізу) та фізичного експерименту, дозволяє мінімізувати питомі витрати робочої рідини із забезпеченням заданої якості покриття об'єкта обробки; ‒ науково-практичні засади проєктування та автоматизації робочих процесів пневмогідравлічних систем локального дозування, що базуються на інтеграції алгоритмів мікропроцесорного керування та дрібнодисперсного розпилення в обмеженому просторі висівного апарата для цільового просторового покриття посівного матеріалу в русі. Практичне значення одержаних результатів: – розроблено інженерну методику та номограми, які дозволяють інженерно-технічним працівникам оперативно визначати раціональні конструктивно-режимні параметри установок припосівної інокуляції (робочий тиск та діаметр сопла) для забезпечення цільового покриття матеріалу за мінімальних питомих витрат робочої рідини; – спроєктовано та виготовлено інокуляційний модуль для локального нанесення рідкої фази, який адаптовано для швидкої інтеграції у висівні системи сучасних пневматичних сівалок точного висіву (на прикладі Vega 8 Profi) без внесення конструктивних змін у їх базові вузли; – доведено високу техніко-економічну ефективність застосування розробленої машинобудівної конструкції у виробничих умовах: використання модуля усуває жорсткий механічний вплив на матеріал (відсутність мікротравмування) та підвищує якість виконання технологічної операції, що в комплексі забезпечує збільшення врожайності на 9% та гарантує отримання додаткового чистого прибутку на рівні 4 320 грн/га; – створено експериментальний лабораторний стенд із мікропроцесорним керуванням та вузлами, виготовленими за допомогою адитивних технологій (3D-друку), який може використовуватися в науково дослідних та навчальних установах для вивчення механіко-технологічних процесів локального дозування рідини в потоці матеріалу. Особистий внесок здобувача. Теоретичні та експериментальні результати досліджень, що виносяться на захист, отримані автором самостійно. У наукових роботах, які опубліковано у співавторстві, здобувачу належать: огляд і аналіз стану технологій передпосівної обробки насіння, обґрунтування доцільності переходу до системи локального нанесення препарату (in-furrow). Розроблення математичної моделі та проведення комп'ютерного моделювання (CFD) просторово-часової динаміки багатофазного аерозольного потоку. Розробка конструкції мікропроцесорного експериментального стенда, проведення фізичного моделювання процесу розпилення та статистична обробка результатів. Участь у проведенні натурних польових випробувань, комплексне обґрунтування раціональних параметрів інокуляційного модуля пневматичної сівалки та виконання техніко економічних розрахунків щодо доцільності його впровадження. Апробація результатів дисертації. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися та отримали позитивні відгуки на науково-практичних конференціях (НПК): на ХІV Міжнародній НПК «Електроенергетика, електромеханіка та технології в апк» (Харків, ДБУ, 22.12.2022 р.); на 4th multidisciplinary conference for young researchers (Praha, Czech University, 5- 6.10.2023 р.); на НПК викладачів, аспірантів та студентів Сумського НАУ (Суми, СНАУ, 14-18.04.2025р.); на ХХІV Міжнародної НПК «присвяченої 90 річчю від дня народження Леоніда Погорілого» " (Дослідницьке, УкрНДІПВТ, 26.05.2024); на НПК викладачів, аспірантів та студентів Сумського НАУ (Суми, СНАУ, 13-17.04.2026р.). Основні результати дисертаційної роботи, їх узагальнення та викладені наукові положення та висновки, що становлять суть роботи, отримані та сформульовані автором самостійно.