CC BY
11
РАЗДЕЛ 2. ЭКОЛОГИЯ И МАШИННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
УДК 631/635
ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ МАШИНЫ ДЛЯ БОРЬБЫ С СОРНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ НА ОСНОВЕ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
А.М. Захаров, канд. техн. наук; Е.А. Мурзаев; А.Д. Комоедов
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Органическое земледелие является одним из актуальных направлений развития сельского хозяйства. В связи с тем, что при данном виде хозяйствования запрещено применение агрохимикатов и пестицидов для борьбы с сорной растительностью, особенно при возделывании пропашных культур, необходима разработка новых автоматизированных машин для удаления сорняков. Авторами проведён аналитический обзор рынка сельскохозяйственных машин для борьбы с сорной растительностью и разработана их классификация по способу движения, степени механизации, рабочим органам и системам распознавания и бокового перемещения машин. Патентный поиск и анализ литературных источников показал, что наиболее перспективными считаются автоматические и полуавтоматические машины, способные с высокой точностью удалять сорняки в междурядьях и рядах растений. На основание проанализированных конструкций машин для борьбы с сорной растительностью составлена морфологическая матрица, которая позволяет выбрать наиболее рациональные элементы конструкции.
Ключевые слова: органическое производство, борьба с сорняками, агротехнический метод, прополочная машина, пропашная культура.
Для цитирования: Захаров А.М., Мурзаев Е.А., Комоедов А.Д. Обоснование элементов конструкции машины для борьбы с сорной растительностью на основе морфологического анализа // АгроЭкоИнженерия. 2023. №. 1 (114). С.42-53
MORPHOLOGICAL ANALYSIS-BASED JUSTIFICATION OF STRUCTURAL ELEMENTS OF A WEED CONTROL MACHINE
A.M. Zakharov, Cand. Sc. (Engineering), E.A. Murzaev, A.D. Komoedov
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia.
Organic farming is an important direction of agriculture development. This farming type prohibits the use of agrochemicals and pesticides for weed control, especially under the row crops. Thus, of great need are new automated machines for weed removing. The authors analysed the weed control machines market and classified them according to their travelling mode, mechanization degree, working tools, the systems of weed recognition, and side displacement of machines. According to the patent search and literature review, the automatic and semi-automatic
machines showed the greatest promise. They proved the high precision in removing weeds in the plant rows and inter-row spacing. The study of designs of weed control machines resulted in the morphological matrix that allowed choosing the most rational design elements.
Key words: organic production, weed control, agrotechnical method, weeder, row crop. For citation: Zakharov A.M., Murzaev E.A., Komoedov A.D. Morphological analysis-based justification of structural elements of a weed control machine. AgroEkoInzheneriya. 2023. No. 1(114): 42-53 (In Russian)
Введение. В настоящее время одним из наиболее активно развивающихся видов хозяйственной деятельности является органическое производство продукции растениеводства. По данным,
опубликованным в 2021 году Национальным органическим союзом РФ, с 2000 года рынок органической продукции в России вырос на 220 млн евро, количество производителей органической продукции по сравнению с 2020 годом увеличилось на 46% и достигло 146 компаний. Такому росту органического производства продукции способствовало развитие транспортной инфраструктуры, низкий уровень загрязнённости окружающий среды и большое количество земель, подходящих под органический тип хозяйствования [1, 2]. Для выращивания органической продукции необходимо применение современных машинных технологий, выстроенных согласно передовым достижениям биологических и инженерных наук, при условии их адаптации под местные природно-климатические условия возделывания той или иной культуры [3-5]. Как показывает практика, при производстве органической продукции одной из ключевых проблем
является борьбы с сорной растительностью. Особенно остро, существующая проблема проявляется при возделывании пропашных культур.
Негативный эффект, наносимый сорной растительностью, заключается в следующем:
- поглощают из почвы большое количество питательных веществ;
- способствуют распространению вредителей;
- затрудняют уход за посевами и посадками;
- затрудняют уборку урожая;
- снижают качество получаемой продукции и урожайность.
Методы борьбы с сорной растительностью - это комплекс мероприятий, имеющих научное
обоснование и направленных на уничтожение сорняков и предупреждение их распространения агротехническими приёмами.
Методы борьбы с сорной растительность можно разделить на предупредительные и истребительные (рис. 1).
Рис. 1. Методы борьбы с сорной растительностью
Предупредительные - меры, направленные на выявление, локализацию и уничтожение очагов и путей распространения сорных растений, а истребительные меры борьбы направлены на уничтожение, как самих сорняков, так и их генеративных органов.
Они могут быть классифицированы как агротехнические, химические и биологические. Так как при органическом производстве сельскохозяйственной
продукции, согласно статье 4 Федерального Закона № 280 «Об органической продукции и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ», запрещается применение агрохимикатов, пестицидов, антибиотиков и стимуляторов роста для борьбы с сорной растительностью (химические), а применение
биологического метода, основанного на использовании насекомых и
микроорганизмов, в настоящее время ограничено и не может быть применено против многовидового разнообразия сорняков (биологические), для борьбы с сорной растительностью при возделывании пропашных культур необходимо применять агротехнические меры, направленные на рациональное планирование севооборота, а
также применение новых механических средств [6, 7].
На сегодняшний день существует большое количество машин для борьбы с сорной растительностью. Их можно разделить на навесные и самоходные. Навесные машины для борьбы с сорняками по степени механизации подразделяются на неавтоматизированные и
автоматизированные. К
неавтоматизированным машинам
относятся: БЛП-9, Культиватор-окучник PIEL-5 и др. Автоматизированные машины представляют собой автоматические или полуавтоматические машины, выпускаемые фирмами Ferrari (Италия), Steketeet (Голандия), Garford Farm Machinery Ltd (Великобритания), Drimac (Италия), Stout (США) [8-12]. Наиболее перспективными считаются автоматические и
полуавтоматические машины способные осуществлять прополку, как в междурядье, так и в рядках растений.
Примером автоматизированной полуавтоматической машины является Remolite выпускаемая фирмой Ferrari. Remolite рис. 2) - полуавтоматическая машина для борьбы с сорной растительностью при возделывание овощных и зерновых культурах.
Рис. 2. Полуавтоматическая машина Ferrari Remolite а - Полуавтоматическая машина Ferrari Remolite; б - терминал визуализации и управления.
Она оснащена гидравлической рамой для поперечного перемещения относительно рядков культур. Управление рамой осуществляется за счёт данных о расположении рядков культур, которые на центральный компьютер передаёт двух объективная камера, устанавливаемая на раму агрегата или впереди трактора. Она может производить захват растений как в одном ряду, так и в нескольких. На блок визуализации выводится информация о текущем положении агрегата. Терминал контроля данных позволяет производить управление машиной. Секции машины оснащены параллелограммным
механизмом (П. механизм) с калиброванными пружинами для регулировки глубины обработки и
держателями рабочих органов. Обработка производится стрельчатыми лапами, а для уменьшения расстояния до культур используется пальчиковый культиватор. Материал для пальчикового культиватора подбирается в зависимости от типа почвы [8]. Применение таких типов машин возможно только на низкокаменистых почвах, а также требует тщательной, трудоемкой настройки перед началом работы.
Примером автоматической машины для борьбы с сорной растительностью является IC-Weeder (рис.3) разработанной фирмой Steketee. Это машина для борьбы с сорняками в междурядьях и в рядках салата.
Рис. 3. Автоматическая машина IC-Weeder, фирма Steketee а - автоматическая машина; б - терминал управления.
Данная конфигурация покрывает 5 рядов растений с междурядьем 28 см. В корпусе машины установлено 3 камеры, способны делать снимки с высоким разрешением в зелёных тонах и цветах RGB, и светодиодные лампы для обеспечения освещения. Полученные снимки
обрабатывает терминал, определяя размеры и ожидаемое положение растений, что позволяет определить их фактическое положение и сформировать управляющие сигналы для подвижной рамы с целью точного движения машины относительно рядов культуры. Удаление сорной растительности в рядках между растениями осуществляется активными ножами, расположенными с обеих сторон рядка и имеющими изогнутую форму для максимального снижения защитной зоны растений. В закрытом положении ножи полностью перекрывают друг друга. Поворот активных ножей в рядок растений осуществляется пневматическими
цилиндрами. Рабочие секции могут быть с 3-мя и 4-мя держателями рабочих органов для междурядной обработки и обработки в рядках растений [9]. Данная машина способна обрабатывать только
симметричные культуры, возделываемые на грядках
Материалы и методы. При
проведении исследований применялись общеизвестные алгоритмы и методы морфологического анализа, обобщения и систематизации различных конструктивно-технологических элементов
почвообрабатывающей техники.
В качестве основных элементов для формирования (компоновки) конструкции машин исследовались: рабочие органы, их форма, траектория их движения, тип привода, электронные устройства
распознавания, механизмы регулировки глубины обработки и бокового перемещения рамы машины.
Результаты и обсуждение. Проведенный патентный поиск и анализ конструкций существующих машин для борьбы с сорной растительностью позволяет разработать классификацию (рис. 4) по следующим признакам [10,13]: по способу приведения в движение, по степени механизации, по типу рабочих органов, по системам распознавания, по системам бокового смещения рамы.
Рис. 4. Классификация машин для борьбы с сорной растительностью.
На основание проанализированных конструкций машин для борьбы с сорной растительностью составлена
морфологическая матрица (рис. 5), которая позволяет выбрать наиболее рациональные элементы конструкции, такие как:
— рабочий орган (его параметры и траекторию движения);
— тип привода рабочего органа;
определение защитной и обрабатываемой зоны; распознавание культурных растений;
механизм регулирования
глубины обработки; определение рядов посевов; механизм бокового
перемещения рамы.
Признак
Параметр
1
Рабочий орган
Форма рабочего органа Траектория движения рабочего органа Тип
привода рабочего органа
Штригель
Разработка
Трапециевидна я
Фреза
о
Полумесяц
II
I
Серповидный
Гидравлически й
Электрический
Тневматический Механический
Определени е защитной и
обрабатыва емой зоны
4
Машинное зрение
Искусственный интеллект
Оптичес е датчики
Распознава ние
культурных растений
Машинное зрение
Искусственный интеллект
Оптические датчики
Механический
Механизм
регулировк
и
глубины обработки
П. механизм с ручной регулировкой
Опорные колеса с
гидравлическим цилиндром
П. механизм с калиброванными пружинами
П. механизм с
трическим приводом
Определени е рядов посевов
Механизм бокового перемещен ия рамы
Машинное зрение
Искусственный интеллект
ические датчики
Механический
Подвижная сцепка
Подвижная рама
Подруливающие колеса
Рис. 5. Морфологическая матрица
2
3
4
С целью обоснования предлагаемых нами элементов конструкции машины для борьбы с сорной растительностью предложены сравнительные таблицы (таб.1 и
таб.2) в которых представлены положительные и отрицательные параметры возможных элементов конструкции таких машин [14].
Таблица 1. Оценка характеристик конструктивно-технологических элементов машины
Параметр Рабочий орган Форма рабочего органа Механизм регулирования глубины обработки Тип привода рабочего органа
Нож Штригель Фреза Трапеция Стрела Полумесяц Серповидный Параллелогрыммны й механизм с Параллелогрыммны й механизм с Опорный колеса с гидроцилиндром Гидравлический Пневматический Электрический Механический
Металлоёмкость + - + - + + - - + - + - + -
Стоимость - + - + - + - - + -
Затраты на энергоснабжение + + + + + + + +
Точность обработки + + + + + +
Универсальность + + + + +
Таблица 2. Оценка характеристик управляющих элементов машины
Параметр Определение культурных растений Определение рядков растений Определение защитной зоны Механизм бокового перемещения рамы
Машинное зрение Оптические Механически Машинное зрение Оптические Механически Машинное зрение Оптические Механически Подвиж. сцепка Подвиж. рама Подруливающие
Металлоёмкость - - + + - + + - - - + - - - +
Стоимость - - + - + - + - - - + + - - -
Затраты на энергоснабжение + + + + + + +
Точность обработки + + + + + + + + + +
Универсальность + + + - + + + - + + + - + + +
Согласно проведенному
морфологическому анализу компоновки машины для борьбы с сорной растительностью в качестве рабочего органа для внутрирядной обработки принят нож с индивидуально-разработанной формой и траекторией движения. Привод поворота в рядок растений активного ножа предполагается электрическим.
Определение культурных растений, их рядов и защитных зон производится мехатронными системами с оптическими датчиками. Механизм регулирования глубины обработки представляет собой параллелограммный механизм с
электромагнитом, управляемый системой определения микрорельефа верхней поверхности гребня. Точность обработки
будет повышаться за счет применения механизма бокового перемещения рамы. Для междурядной обработки возможно использование как ротационных борон в паре с окучником, так и стрельчатых лап или дисков.
Выводы. Таким образом, можно сделать вывод, что при производстве органической продукции растениеводства одной из ключевых проблем является борьбы с сорной растительностью, особенно остро, существующая проблема проявляется при возделывании пропашных культур. Так как в соответствии с ФЗ №280 «Об органической продукции и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ» запрещается применение
агрохимикатов и пестицидов, необходима разработка автоматизированных машин для борьбы с сорной растительностью.
Проведённый патентный поиск и анализ литературных источников конструкций машин для борьбы с сорной растительность позволил
классифицировать такие машины и определить перспективные направления разработки автоматизированных
автоматических и полуавтоматических машин. На основании проведённых исследований разработана
морфологическая матрица, по которой выбраны рациональные элементы конструкция комбинированной машины для борьбы с сорной растительностью при возделывание пропашных культур с учетом их эксплуатационных и экономических характеристик.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Евдокимова Н.А., Захаров А.М., Максимов Д.А., Минин В.Б., Мурзаев Е.А., Перекопский А.Н., Соловьев Я.С., Устроев А.А. Технологии органического производства сельскохозяйственной продукции растениеводства в условиях Северо-Западного региона Российской Федерации. Материалы международного проекта «Экологически дружественное умное органическое сельское хозяйство - EFSOA». СПб: ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 2021. 140 с.
2 Zakharov A.M., Maksimov D.A., Minin V.B., Murzaev E.A., Ivanov D.Y. Dependence of the yield of organic potatoes on the variable composition of technological operations // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2022, Vol. 979, 012081. https://doi.org/10.1088/1755-1315/979/1/012081
3 Novikova I., Minin V., Titova J., Zakharov A., Krasnobaeva I., Boikova. I, Murzaev E. New polyfunctional biorationals use to achieve competitive yield of organic potatoes in the North-West Russian ecosystem // Plants. 2022. Vol. 11(7), 962. https://doi.org/10.3390/plants11070962
4 Устроев А. А., Калинин А. Б., Мурзаев Е. А. Анализ цифровых измерительных систем для определения параметров почвенного состояния // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 97. С. 19-28. DOI 10.24411/0131-5226-2018-10085.
5 Zakharov A. M., Minin V. B., Murzaev E. A. [et al.] Effect of deep loosening of inter-rows on physical properties of sod-podzolic soil and yield of organic potato // Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Agrarian Series. 2022. Vol. 60. No 4, pp. 372-379. https://doi.org/10.29235/1817-7204-2022-60-4-372-379
6 Баздырев Г.И., Лошаков В.Г., Пупонин А.И. Земледелие. Учебник для вузов. М.: Колос. 2000. 551 с.
7 Баздырев Г.И. Сорные растения и борьба с ними. М.: Московский рабочий, 1986. 190 с.
8 Полольная машина Remolite (Ferrari Growteck, Италия) [Электронный ресурс] Режим доступа: https://ferrarigrowtech.com/ru/pololnaya-mashina/84-remolite.html (дата обращения: 09.03.2023).
9 Steketee IC-Weeder (Lemken Group, the Netherlands) [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.steketee.com/producten/ic-weeder-2/ (дата обращения 09.03.2023).
51
10 Прополочный культиватор для междурядной обработки рассадных культур Robocrop InRow Weeder, (Garford Farm Machinery, Великобритания) [Электронный ресурс] Режим доступа: https://garford.com/products/robocrop-inrow-weeder/ (дата обращения: 23.01.2023).
11 ZIP Drimac - Sarchiatrice automatica interplanta (Drimac, Italy). [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.drimac.it/ (дата обращения 06.02.2023).
12 Smart Cultivator (Stout, USA). [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.stoutagtech.com/smart-cultivator/ (дата обращения 06.02.2023).
13 Афанасьев Р.А., Ермолов И.Л. Перспективы направления роботизации точного земледелия // Робототехника и техническая кибернетика. 2017. №1(14). С. 27-32.
14 Клочков А.В. Механические и физические методы борьбы с сорняками [Электронный ресурс] Режим доступа: https://glavpahar.ru/articles/mehanicheskie-i-fizicheskie-metody-borby-s-sornyakami (дата обращения 13.02.2023)
REFERENCES
1 Evdokimova N.A., Zakharov A.M., Maksimov D.A., Murzaev E.A., Perekopskiy A.N., Solovev Ya.S., Ustroev A.A. Tekhnologii organicheskogo proizvodstva sel'skokhozyaistvennoi produktsii rastenievodstva v usloviyakh Severo-Zapadnogo regiona Rossiiskoi Federatsii [Technologies of organic production of farm crops under conditions of the North-West Region of the Russian Federation]. Materials of International Project "Environmentally Friendly Smart Organic Agriculture- EFSOA", Saint Petersburg: IEEP - branch of FSAC VIM, 2021. 140 p. (In Russian)
2 Zakharov A.M., Maksimov D.A., Minin V.B., Murzaev E.A., Ivanov D.Y. Dependence of the yield of organic potatoes on the variable composition of technological operations. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2022. Vol. 979, 012081. (In English) https://doi.org/10.1088/1755-1315/979/1/012081
3 Novikova I., Minin V., Titova J., Zakharov A., Krasnobaeva I., Boikova. I, Murzaev E. New polyfunctional biorationals use to achieve competitive yield of organic potatoes in the North-West Russian ecosystem. Plants. 2022. Vol. 11(7), 962. (In English) https://doi.org/10.3390/plants11070962
4 Ustroev A. A., Kalinin A. B., Murzaev E. A. Analiz tsifrovykh izmeritel'nykh sistem dlya opredeleniya parametrov pochvennogo sostoyaniyakh [Analysis of digital measurement systems to determine the soil state parameters]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. No. 97: 1928. (In Russian) https://doi.org/10.24411/0131-5226-2018-10085
5 Zakharov A. M., Minin V. B., Murzaev E. A. [et al.] Effect of deep loosening of inter-rows on physical properties of sod-podzolic soil and yield of organic potato. Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Agrarian Series. 2022. Vol. 60 (4): 372-379. (In English) https://doi.org/10.29235/1817-7204-2022-60-4-372-379
6 Bazdyrev G.I., Loshakov V.G., Puponin A.I. Zemledelie. Uchebnik dlya vuzov [Arable Farming. Textbook for higher educational establishments]. Moscow: Kolos. 2000. 551 p. (In Russian)
7 Bazdyrev G.I. Sornye rasteniya i bor'ba s nimi [Weeds and weed control]. Moscow: Moskovskii Rabochii Publ. 1986. 190 p. (In Russian)
8 Polol'naya mashina Remolite, (Ferrari Growteck, Italy) [Weeder]. Available at: https://ferrarigrowtech.com/ru/pololnaya-mashina/84-remolite.html (accessed 09.03.2023) (In Russian)
9 Steketee IC-Weeder (Lemken Group, the Netherlands). Available at: https://www.steketee.com/producten/ic-weeder-2/ (accessed 09.03.2023).
10 Robocrop InRow Weeder (Garford Farm Machinery, UK). Available at: https://garford.com/products/robocrop-inrow-weeder/ (accessed 23.01.2023).
11 ZIP Drimac - an automatic hydraulic inter-plant weeder (Drimac, Italy). Available at: https://www.drimac.it/ (accessed 06.02.2023).
12 Smart Cultivator (Stout, USA). [Электронный ресурс] Available at: https://www.stoutagtech.com/smart-cultivator/ (accessed 06.02.2023).
13 Afanasiev R.A., Ermolov I.L. Perspektivy napravleniya robotizatsii tochnogo zemledeliya [Prospective lines of development of precision agriculture robotization]. Robototekhnika i tekhnicheskaya kibernetika. 2017. No. 1(14): 27-32. (In Russian)
14 Klochkov A.V. Mekhanicheskie i fizicheskie metody bor'by s sornyakami [Mechanical and physical methods of weed control]. Available at: https://glavpahar.ru/articles/mehanicheskie-i-fizicheskie-metody-borby-s-sornyakami (accessed 13.02.2023) (In Russian)
УДК 633.521:631.31 (470.331)
ВЫРАВНИВАТЕЛЬ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ПОДГОТОВКИ ПОЧВЫ ПОД ЛЁН-
ДОЛГУНЕЦ
1 2 Н.В. Алдошин , д-р техн. наук; В.В. Голубев , д-р техн. наук;
1 2 А.С. Васильев , канд. с.-х. наук; М.В. Никифоров , канд. техн. наук
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, Москва, Россия
2Тверская государственная сельскохозяйственная академия, Тверь, Россия
Разработка рабочих органов сельскохозяйственных машин специализированного назначения является важнейшим системообразующим фактором управления продуктивностью агрофитоценозов. При этом для широкого круга мелкосеменных культур, выращиваемых в мировом земледелии, одной из наиболее острых проблем является качество подготовки почвы к посеву, обуславливающее их полевую всхожесть, жизненность и, как следствие, конечную продуктивность. Целью данной работы было исследовать эффективность применения экспериментального выравнивателя в системе предпосевной
