НЕ ТИСНІТЬ, МУЖИКИ! НЕ ТИСНІТЬ!... (Огляд: як вирощувати рослини і не втоптувати грунт?) (Частина 2)
Лінія №3. «Збільшення ступеня дроблення системи» (рушія) (див. рис. 12): металеве колесо;
металічна гусениця;
гумова гусениця;
пневматичне колесо;
пневматична гусениця;
потік повітря – повітряна подушка;
поле – сили виштовхування (сила Архімеда) – дирижаблі.
Рис. 12. Розвиток рушія по лінії збільшення ступеня подрібнення Згідно лінії розвитку технічних систем в напрямку збільшення ступеня дроблення їх робочих органів рушії наступних поколінь повинні діяти на мікрорівні, бути ще більш роздробленими – рідинними, газовими або польовими (див. рис. 12). Деякі з таких «микроуровневых» рушіїв вже існують у вигляді експериментальних машин, моделей, іграшок і фантастичних ідей. Наприклад, щітковий рушій, всюдиходи і судна на повітряній подушці, проект дирижабля–садівника, магнитоплан, антигравитон. СПОСІБ 2: ХОДИТИ ПО УТОРОВАНИМ ДОРІЖКАХ Знизити ущільнення ґрунту колесами машин можна, якщо впорядкувати рух машин по полям, наприклад, рухатися з постійних технологічних колій. Постійні колії «Тиск на грунт ніг людини і коня, і нині, і 100 років тому було одним і тим же – куди більшим, ніж у трактора і «шлейфу» машин до нього. І, тим не менш, оптимістичний прогноз не виправдався: механічний сільськогосподарський привід збільшив інтенсивність і частоту впливу на землю. Зараз, коли сліди від тракторів, комбайнів, самохідних машин і автомобілів перекривають практично 100% посівної площі, проблема ущільнення стала особливо серйозною» [2]. На малюнку 13 показана поверхня поля, оголена після ерозії верхніх шарів грунту. На полі видно сліди від коліс машин, утворені ущільненої грунтом. Сліди показують, що глибоке ущільненню піддалося близько 80% площі поля [1]. Рис. 13. Сліди сільськогосподарських машин на поле Вважають, що вирішити проблему ущільнення грунту можна, якщо знизити середнє питомий тиск коліс на грунт до 0,15 кг/см2. Поки що зробити це, не використовуючи гігантських і не завжди зручних шин, не вдається. Тому багато фермери воліють «пробивати» на своїх полях «постійні колії» і рухатися тільки по них, не зачіпаючи решту землі [2] (див. рис. 14). Рис.14. Вивантаження зерна комбайном у вантажівку, що рухається по сусідній технологічної колії [21] Землеробство з використанням постійної технологічної колії або, як його називають зарубіжні дослідники, керованим рухом по полях (Controlled Traffic Farming – CTF) – це відділення зон руху від зон вирощування рослин. На практиці це означає, що: одні і ті ж колісні колії використовуються для обробки ґрунту, садіння рослин, обприскування та збирання;
колеса всіх тракторів і машин встановлені на одну і ту ж ширину колії (див. рис. 15) [22].
Рис. 15. Однакова ширина колії для всіх машин У більшості фермерів, які не використовують рух техніки з постійним коліях, ширини колій машин різні і рухаються вони по полю в різних напрямках, що призводить до покриття слідами коліс більше 80% площі поля (див. рис. 16) [23]. На малюнку також показано площа покриття поля слідами коліс від машин при переході від традиційної технології обробки поля до технології без оранки (no-till) і потім до використання постійної технологічної колії. Порівняння засноване на 3-х метрової ширини колії машин. Ширини захвату збирального комбайна, обприскувача та культиватора кратні 3 метрам і в даному випадку становлять 9 метрів. Можливе використання і більшого обладнання, наприклад, 15-ти метрового обприскувача. Рис. 16. Площа покриття поля слідами коліс Перехід до технології no-till, при якій використовується менше агротехнічних операцій, а, отже, і потрібно менше проходів техніки полями, скорочує площу слідів машин на поле до 46%. Використання постійної технологічної колії і налаштування ширини колії у всіх машин на один розмір дозволяє скоротити площа слідів на полі до 14%. В Австралії приблизно 1 млн гектарів обробляється з використанням технології керованого руху по полях [21]. Ось що говорить про використання технологічної колії спеціаліст з питань ущільнення ґрунтів з Австралії Рохан Рэйнбоу: «насправді проблема ущільнення грунту дуже проста, і вирішити її не складно, важливо зрозуміти головне: вибір техніки ніякої суттєвої ролі в цьому питанні не грає. Все залежить від того, як ви маєте машину на полі, як вона пересувається по ньому. Ідеальне розташування трактора – коли два колеса знаходяться на відстані 2-3-х метрів від його центральної осі і переміщаються по одній колії (див. рис. 17). Те ж стосується і іншої техніки, що рухається по полю, – колеса повинні йти «слід у слід» за єдиною колії. Це здається дуже легко, але дуже багато фермери ставлять колеса в різні місця і, як наслідок, виникають проблеми. Є ще одна тонкість: важливо, щоб розпилювач був в кілька разів ширше, ніж сівалка, таких же розмірів варто підбирати і комбайн. ...Хочу підкреслити, що ущільнення грунту – це проблема фермерів, а не техніки, важливо просто зрозуміти це і діяти» [24]. Рис. 17. Трактор із збільшеною довжиною колісних осей Система землеробства з постійною технологічною колією володіє наступними перевагами: нижче вартість виконання агротехнічних операцій із–за зменшення споживання палива, витрат часу і праці, економії на насінні, обприскуванні і добриві, 10-25% економії може бути отримано відразу;
менше ерозія грунту, і вона краще утримує вологу, що забезпечується правильно обраним напрямком рядів;
дозволяє проводити міжрядний посадку рослин, їх культивацію і в підживлення добривами;
поєднується з нульовою обробкою грунту і дає можливість отримати максимальний прибуток від неї;
покращує управління точними сельскохозяйствнными знаряддями і системами;
вище продуктивність.
Навіть під час культивації можна очікувати 50% економії палива від використання постійної технологічної колії. Втрати врожаю від незасаженных колій залежать від відстані між ними. Але врожайність на «нетоптанных» площах вище [23]. Комбайн, модифікований під систему землеробства з технологічною колією, рухається швидше, ніж по звичайному полю, і, маючи краще зчеплення з грунтом, споживає менше палива (див. рис. 18) [21]. Рис. 19. Комбайн на технологічній колії Можна ще більше знизити площа покриття поля слідами коліс, якщо збільшити відстань між технологічними коліями. Мостовий трактор Історія мостового (портального) трактора почалася в 1855 році, коли англієць Олександр Халкотт створив портальну машину на рейках, в якій він бачив засіб застосування енергії пари для всіх сільськогосподарських операцій. Але серйозні роботи по дослідженню таких машин почалися лише через 100 років і особливо активізувалися в останні два десятиліття [25]. Розробкою портальних тракторів займалися в США, Великобританії, Швеції, Голландії, Ізраїлі, Японії, Австралії. В СРСР теж проводилися подібні роботи, упор робився на використання машин з електроприводом як на полі, так і в теплицях, а машини з гідравлічним приводом застосовувалися для поливу і внесення хімікатів. У 1975 році свій перший мостовий трактор побудував Девід Доулер. Це чотириколісний трактор з прольотом 12 метрів і поворотними колесами, які забезпечують йому високу маневреність. Мостовий трактор пересувається по постійним коліях, розташованих на відстані, рівній його прольоту. Рух трактора в поздовжньому напрямку забезпечується поворотом головних провідних коліс на 90 градусів (див. рис. 20). Рис. 20. Мостовий трактор Доулера початку 1990-х Дослідження, проведені в Австралії і Великобританії з мостовим трактором Доулера, що рухаються по технологічних коліях, показали, що вартість посіву культур знижується на 40%, економія енергії при обробці ґрунту досягає 55%, значно поліпшується якість обробки і структура ґрунту. Мостовий трактор Доулера, керований системою лазерного наведення, використовується також в Голландії для виконання високоточних польових операцій. Впровадження мостових тракторів приносить наступні вигоди: мінімізуються втрати площі за проходження техніки;
автоматизується виконання агротехнічних операцій;
досягається висока точність позиціонування знарядь;
знижується пошкодження врожаю;
поліпшується обробка грунту.
Однак поки що є мало даних про врожаї культур на великих площах, де постійно підтримувався режим руху техніки, технологічних коліях [25]. Довжина прольоту мостового трактора може бути від 3 до 21 метра і визначається особливостями вирощуваної культури, обмеженнями на розміри транспортних засобів і вартістю. В Ізраїлі з 1996 року експлуатується трактор з шириною прольоту 5,8 метра і висотою дорожнього просвіту 1,8 метра з чотирма ведучими колесами (див. рис. 21). Рис. 21. Мостовий трактор з шириною прольоту 5,8 метра Чим довше проліт мостового трактора, тим більше потрібно площі на краю поля для його розвороту. На рисунку 22 зображено поле для посіву, схема руху і приклади розворотів мостового трактора на поворотній смузі [26]. Рис. 22. Схема руху і розворотів мостового трактора на поле Щоб почати експлуатацію мостового трактора, слід попередньо вирівняти грунт. Тягове зусилля у мостового трактора низька, і його вигідно застосовувати при технології no-till, де немає таких енергоємних операцій, як отвальная оранка ґрунту. Мінімальна енергоозброєність мостового трактора з приводом на два колеса повинна бути 15 кВт/т. Зміщення навантаження від центральної лінії трактора не впливає на стабільність його управління при наявності достатньої тягового зусилля на колесах. При роботі на мостових тракторах водієві повинна бути забезпечена добра видимість колії. Повинні бути передбачені: засоби керування машиною в поздовжньому напрямку, обмежений виступання частин машини за межі колії, пристрій для забезпечення різної швидкості обертання коліс. У Швеції компанії TEC і Biovelop AB розробляють мостовий трактор під назвою BIOTRAC з 4-ма провідними керованими колесами, призначений для точного земледения з керованим рухом по технологічних коліях і системою глобального позиціонування GPS (див. рис. 23) [26]. Рис. 23. Шведський мостовий трактор BIOTRAC Досвід застосування мостових тракторів в зернових господарствах, показав, що вони можуть бути використані в якості заміни або доповнення до існуючих тракторним систем і призводять до підвищення врожайності зернових на 7% [25]. Якщо ще більше збільшити довжину прольоту мостового трактора, то отримаємо стаціонарний агротехнічний міст. Мостове агротехнічний комплекс «Свого часу проекти мостового землеробства пропонували англієць Халкотт, наші співвітчизники М. Pravotorov, К. Борін, поляк Б. Свецкий та ін. Автоматизований мостовий агротехнічний комплекс (АМАК) – це самохідний завод, а АМАК-система – це землеробське автоматизоване і повністю електрифіковане підприємство, призначене для масового гарантованого виробництва продуктів землеробства на великих окультурених угіддях рівнинного типу (див. рис. 24). Рис. 24. Автоматизований мостовий агротехнічний комплекс У чому АМАК-система більш ефективна порівняно із звичайною тракторної? При виробництві однакової по кількості і якості цільового продукту (зерна, овочів, кормових культур тощо), АМАК-система буде споживати значно менше ресурсів, зовсім не буде забруднювати навколишнє середовище і... поліпшить якість землі. В 1,5 рази менше знадобиться... насіння, води і площі активних угідь за рахунок підвищення врожайності, адже не буде переущільнення ґрунту ходовими частинами тракторів, комбайнів, автомобілів і прицепленных агрегатів. Які потрібні капітальні вкладення щоб побудувати першу дослідну АМАК-систему? Тут все залежить від мети. Якщо мета – переконатися в її працездатності і обмежитися ста гектарами активного угіддя, досить 50-100 млн рублів. Якщо мета – переконатися в її ефективності порівняно з тракторної і отримувати, ... 1-2 мільйона тонн зерна щорічно, необхідно 1-2 млрд рублів (у цінах 1990 року – А. С.) [27]. «Переваги агромостового комплексу: своєчасне виконання агротехнічних заходів незалежно від погодних умов і часу доби (у термін);
...програмування врожаїв з їх підвищенням до максимального біологічного межі за рахунок координатного посіву (посадки) і догляду за рослинами, що забезпечують можливість усунення строкатості родючості грунту та оперативної локалізації вогнищ ураження посівів хворобами та шкідниками;
виключення забруднення природного середовища отрутохімікатами, нафтопродуктами та їх відходами;
скорочення витрат води, насіння, добрив, металу і енергії на одиницю продукції;
виняток потреби в рідкому паливі за рахунок застосування централізованого електропостачання;
перерабатка з безвідходним технологіям зібраного врожаю в готову для реалізації продукцію;
вивільнення людей з польових робіт за рахунок автоматизації і роботизації технологічних процесів;
підвищення престижу селянської праці» [28].
Є у агромостового комплексу і свої недоліки: «Землеробство прив'язане до рейкових коліях, грунт ущільнюється в місцях укладання рейок. Але... відстань між рейками можна робити набагато більше, ніж колія трактора: 20-30 м і навіть 50-150 м, а можливо і ще більше. Головна причина, чому поки мостове землеробство залишається проектом, – це величезні грошові (стартові – А. С.) витрати, дуже велика витрата металу» [29]. Лінія №4. «Зменшення площі слідів рушіїв на полі» Аналіз взаємодії сільськогосподарських машин з полем по параметру «площа залишаються на полі слідів» дозволяє побачити тенденцію зменшення площі покриття поля слідами машин. Ця тенденція добре узгоджується з описаної в ТРИЗ лінією розвитку зони взаємодії інструменту з виробом «дію по точці – дія по лінії – дія по площині – дія за обсягом» [20, 30]. Ця лінія показує, що зона корисної дії в процесі розвитку технічних систем має тенденцію до розширення від точки до лінії, від лінії до площини, від площини до об'єму. А зона шкідливої дії – відповідно навпаки (див. рис. 25). Рис. 25. Лінія розвитку зони взаємодій «Точка – лінія – площина – обсяг» Для шкідливої дії рушіїв машин на полі спостерігається та ж тенденція – з розвитком машин і технологій зменшується площа покриття поля слідами машин. 1. Традиційна технологія обробки грунту: багато агротехнічних операцій виконується безліччю різних машин. Шкідлива дія рушіїв машин поширюється майже на всю поверхню поля. Площа покриття поля слідами становить більше 80%. На лінії розвитку зони взаємодій це відповідає «дії по поверхні». 2. Технологія нульового обробітку ґрунту (no-till) – менше операцій, менше машин і, як наслідок, менше слідів за рахунок меншої кількості проходів машин по полю. Площа покриття поля слідами близько 46%. За формою сукупність всіх слідів на поле нагадує неупорядковану сітку. На лінії розвитку зони взаємодій це можна віднести до вибіркового «дії по поверхні». 3. Технологію no-till об'єднали з рухом машин по технологічних коліях. Слідів на полі стало менше, а самі сліди стали впорядкованими і постійними. Площа покриття поля слідами скоротилася до 14%. На лінії розвитку зони взаємодій це відповідає «дії по лінії». 4. Технологія no-till + технологічна колія + мостовий «трактор» або мостовий агрокомплекс замість тракторів і комбайнів. Упорядкованих і постійних слідів стало ще менше, площа покриття поля близько 7%. На лінії розвитку зони взаємодій це також «дію по лінії». Далі, якщо продовжити тенденцію зменшення площі слідів на полі, то у відповідності з лінією розвитку зони взаємодій можна припустити, що наступне покоління машин буде рухатися по полях, спираючись на постійні технологічні майданчики – точки. Прототипами таких машин можуть бути струнний агромост і крокуючий трактор. Струнний агромост Як і в проекті струнного транспорту Юницкого, на оброблюваному полі можна встановити опори з натягнутими струнами. По струнах буде рухатися балка з прикріпленими до неї знаряддями для обробітку ґрунту і рослин. Опори не будуть займати багато місця, і вся інша площа поля залишиться «нетоптанной» (див. рис. 26). Презентація моделі СТЮ (масштаб 1:5) послу Філліпін в Росії, квітень 2001 року Струнний транспорт Юницкого (СТЮ) СТЮ являє собою попередньо напружені рейки-струни, підняті на опорах на висоту 5-25 метрів. По двох рейках-струнах рухаються чотириколісні транспортні модулі. Завдяки високій рівності і жорсткості струнної шляхової структури легко досяжні швидкості руху 250-350 км/ч. Вартість струнних магістралей, що забезпечують пропускну здатність понад 50 тисяч пасажирів і 50 тисяч тонн вантажу на добу, складе $600-800 тисяч за один кілометр, а з інфраструктурою та рухомим складом – $900-1200 тисяч за км. Поки проект СТЮ не реалізовано [31].
Рис. 26. Струнний агромост Крокуючий трактор Це керований крокуючий мостовий робот, що несе на собі сільськогосподарські знаряддя (див. рис. 27). Крокуюча машина для роботи в лісі [33] Крокуючі машини Прототипом крокуючої машини, що спирається на постійні технологічні майданчики на полі, може служити робот–павук, побудований фінським філією компанії John Deere для лісового господарства. Робот-павук оснащений шістьма ногами зі змінними підошвами і може рівномірно розподіляти вагу між ними. Робот мінімізує травмування лісової грунту і руйнування коренів дерев при розчистці і вирубці лісу [32].
Рис. 27. Крокуючий мостовий трактор Якщо продовжити лінію розвитку зони взаємодій у бік зменшення шкідливої дії, то можна припустити, що шкідлива дія може бути зведене до безконтактного увазі (дія передається через поле – магнітне, гравітаційне тощо), або воно зникає зовсім (див. рис. 28). Рис. 28. Лінія взаємодій, продовжена в бік зменшення шкідливої дії Слідуючи цій модифікованої лінії взаємодій, можна припустити, що машини наступного покоління взагалі не будуть залишати слідів на полі. І такі машини вже існують – це всюдиходи на повітряній подушці і літальні апарати. Дирижабль-садівник Дирижабль SkyCat може гасити пожежі Прототипом ідеї застосування дирижабля в сільському господарстві може служити проект каліфорнійської компанії Wetzonе Engineering, в якому пропонується використовувати дирижаблі для гасіння лісових пожеж, розпилення добрив та відновлення лісів. Розробники вважають, що дирижаблі зможуть нести до мільйона літрів води, скидаючи її різними способами на палаючий ліс [34]. Дирижаблі відповідної вантажопідйомності (серія SkyCat) будує британська компанія Advanced Technologies Group Ltd. [35].
Дирижаблі будуть виливати мільйон літрів води на згарище, а потім бомбити його саджанцями дерев. Посадка дерев є повільним і дорогим процесом, тому компанія Wetzonе Engineering запропонувала повітряний метод відновлення лісових масивів. Саджанці дерев або розсада рослин упаковується в саморазлагающиеся пакети конусоподібної або округлої форми, що містять необхідну кількість вологи і поживних речовин (див. рис. 29). Вибраний район піддається бомбардуванню цими пакетами, що і оптимізує відновлення лісових масивів. В даний час фахівці з Wetzone Engineering працюють над створенням дослідних зразків [34]. Рис. 29. Бомбардування згарища пакетами з саджанцями [35] В Росії теж замислюються про застосування дирижаблів для нафтогазових підприємств і сільського господарства. Дирижаблі витрачають менше пального, ніж літаки і вертольоти, оскільки і так тримаються в повітрі і не вимагають аеродрому. Наприклад, керівництво компанії «Славнефть» вважає, що використовувати дирижаблі дешевше, ніж будувати дороги з твердим покриттям між буровими вишками. Хто знає, може, років через п'ятдесят дирижаблі можуть бути задіяні і в сільському господарстві хоча б для хімічної обробки полів з повітря, ніж коли-то займалися багатоцільові біплани «АН-2» [36]. Отже, 4-ю лінію розвитку сільськогосподарських машин можна сформулювати в наступному вигляді: машини розвиваються в напрямку зменшення площі слідів їх рушіїв на поле (див. рис. 30). Рис. 30. Лінія зменшення площі слідів рушіїв на поле СПОСІБ 3: «ЗГОРНУТИ» АГРОТЕХНІЧНИЙ КОМПЛЕКС Винести «тягач» за межі поля Вище було сформульовано протиріччя для «тягача» (трактора): «тягач» повинен бути важким, щоб добре зчіплюватися з грунтом і розвивати велике тягове зусилля, і повинен бути легким, щоб не ущільнювати грунт. Це протиріччя можна подолати, використовуючи винахідницький прийом «Принцип винесення». Принцип винесення: відокремити від об'єкта «заважає» частина («заважає» властивість) або, навпаки, виділити єдино потрібну частину (потрібне властивість) [4, с. 91].
Цей прийом дозволяє розділити суперечливі вимоги до «тягача» в просторі. Від «тягача» можна відокремити і винести на край поля важку частину, яка ущільнює грунт, а на полі залишити тільки потрібну частину – ту, що передає тягне силу до знаряддю, це може бути ланцюг або трос. Таку систему під назвою «саморушний паровий плуг» запропонував наприкінці XIX століття засновник Німецького сільськогосподарського товариства (DLG) агроинженер Макс Айт (див. рис. 31) [37, 38]. Рис. 31. Саморушний паровий плуг Макса Айта Винести «тягач» і колеса гармат за межі поля Можна ще більше знизити ущільнене дія на грунт, якщо винести за межі поля не тільки «тягач», але і опори сільськогосподарських знарядь (див. розділ «Мостове землеробство»). Знаряддя рухаються по полю самі Ідеальний «тягач» – це відсутній «тягач». «Тягач» не потрібен, якщо знаряддя переміщається по полю саме. Один з можливих варіантів: «Цікавий ефект може бути отриманий при використанні ефектів на рівні мікроструктури матеріалу лемеші, наприклад, можна отримати технічну систему (ТС), згорнуту в робочий орган – серія лемешів з електрострікціонних матеріалів, налаштованих в протифазі, буде рухатися сама, залишаючи за собою смугу зораної землі. Звичайно, ...ці пропозиції потребують експериментальної перевірки та конструкторської проробки, але витрати на дослідні і дослідно-конструкторські роботи обов'язково окупляться, так як вони лежать на магістральному шляху розвитку МС – шлях випереджаючого розвитку робочого органу»[39]. Лінія №5. «Згортання агротехнічного комплексу «тягач + знаряддя» Наведені приклади демонструють лінію згортання агротехнічного комплексу «тягач+знаряддя»: у комплексу поступово зменшується кількість частин, що надають шкідливу дію на грунт: Рис. 31. Лінія «згортання» агротехнічного комплексу «тягач + знаряддя». «тягач» відокремили від знаряддя і винесли за межі оброблюваного поля, залишилася тільки зв'язок, що передає енергію знаряддю;
опори знаряддя винесли за межі оброблюваного поля – агромост спирається на постійні колії і тримає знаряддя на вазі;
«тягача» і опор немає – знаряддя сама рухається по полю;
знаряддя обробітку ґрунту і рослин немає, оскільки немає необхідності у виконанні відповідної агротехнічної операції.
СПОСІБ 4: СКОРОТИТИ КІЛЬКІСТЬ ОПЕРАЦІЙ Якщо спробувати скоротити кількість агротехнічних операцій без шкоди для якості і врожайності вирощуваної культури, то зменшиться кількість проходів техніки по полю, а значить, і її ущільнення. Які є способи скорочення операцій? Виконати кілька операцій за один прохід машини по полю Завдання передпосівного обробітку ґрунту – створити сприятливі умови для проростання насіння і розвитку кореневої системи, рівномірного розподілу поживних речовин в зоні розташування основної маси коренів і забезпечити мінімальні втрати вологи. Для досягнення поставленої задачі необхідно розпушити грунт, роздрібнити брили, створити мелкокомковатую структуру, вирівняти і ущільнити верхній шар грунту. Це можна зробити шляхом багаторазової обробки грунту однооперационными знаряддями, культиваторами, боронами та волокушами-вирівнювачами, планувальниками, дисковими знаряддями, різними катками. Але при цьому виникає ряд проблем: додатковий витрата енергоресурсів (палива, робочої сили) і коштів на придбання сільськогосподарських машин, втрати вологи при кожній додатковій обробці, збільшення строків підготовки ґрунту для посіву, надмірне ущільнення грунту. Застосування сучасних комбінованих агрегатів дає можливість поєднати різні технологічні операції та прискорити підготовку ґрунту до посіву. Це дозволяє провести сівбу в оптимально короткі терміни, забезпечує роботу посівного агрегату на підвищених швидкостях (без шкоди якості), що в підсумку в 1,5–3 рази підвищує продуктивність агрегату, на одну третину скорочує витрати праці, витрати ПММ – на 30-39%. Забезпечуються рівномірні і дружні сходи і прискорений стартовий ріст рослин, підвищується врожайність. Для виготовлення одного комбінованого агрегату потрібно на 20-30% менше металу, ніж для виготовлення декількох однооперационных знарядь. Рентабельність виробництва зерна зростає на 18,8–26%. У країнах з високорозвиненим сільським господарством давно відмовилися від багатоопераційних технологій передпосівного обробітку ґрунту і велику увагу приділяють зменшенню загальної кількості операцій з обробітку ґрунту, заміні багаторазових передпосівних обробок одноразової багатофункціональної операцією. Майже повсюдно застосовують комбіновані технологічні агрегати для підготовки грунту до посіву. Здійснюється перехід до мінімальної обробки грунту [40]. Перейти до сберегающим технологій обробки грунту До сберегающим технологій обробки грунту, по відношенню до традиційної, відносять безвідвальну, мінімальну і нульову (no-till) (див. статтю «Еволюція технологій обробки ґрунту» на с. 62 (див. http://www.triz-profi.com/magazin2.html). Ці технології докладно розглянуто в книзі «No-till – крок до ідеального землеробства» [42] і в статті «No-till в Росії – час настав?» на с. 114 (див. http://www.triz-profi.com/magazin2.html). «Застосування технології no-till є найбільш радикальним способом для розущільнення ґрунтів. Цьому сприяють наступні чинники та особливості технології. Значно знижується кількість проходів техніки по полю. Посівна техніка проходить по полю тільки один раз за весь сезон машини виходять на поле не більше 3-5 разів.
Відсутній оранка.
Грунт менше піддається ущільненню» [42, 60 с..].
Переваги no-till «При обробці грунту за технологією no-till використовується менше устаткування, ніж при звичайній традиційній обробці. Для роботи за технологією no-till необхідна наступна техніка: обприскувач, сівалка прямого посіву (стерневая сівалка) і комбайн з пристосуванням для рівномірного розкидання соломи та рослинних решток» [42, с. 72.]. А ось що говорить про переваги такої технології представник компанії «Агро-Союз» Роман Назаренко: «На американських полях, які вже 34 роки не знають плуга, витрата палива на 1 га не перевищує 11,4 л за весь агросезон. Якщо ж перед посівом фермери практикують культивацію, пального витрачається на 3,6 л/га більше. Всього лише... Пояснення цієї фантастичної за нашими мірками економії енергоресурсів виявляється дуже простим. ...З переходом на беспахотную систему землеробства на кожні 10 тисяч га посівних площ потрібен тільки один трактор, один посівний комплекс, один обприскувач і три комбайна. Всі! За умови, звичайно, що вся техніка широкозахватна, високопродуктивна і максимально потужна. Так, у господарстві «Агро-Союзу» трудяться 400-450-сильні трактори, 18-метрові сівалки, обприскувачі з 27-метрової штангою і комбайни з 11-метровими жниварками. І вся ця дорога техніка окупається з лишком. Тільки за останні 3 роки рентабельність рослинництва в «Агро-Союзі» зросла майже в 6(!) раз» [43].
Сіяти раз на кілька років Така незвичайна технологія посіву зернових розроблялася у відділі прогнозів науково-дослідного інституту сільськогосподарського машинобудування (ВАТ «ВИСХОМ») під керівництвом Зиновія Жука. Стріляємо зернами Кожне зерно поміщали в спеціальну оболонку і зовнішнім виглядом зерна нагадували дрібні цукерки-драже. Такими «цукерками» передбачали «стріляти» в грунт раз на два-три роки. Стріляти повинен був навісний механізм, керований електронікою, який підвішувався на самохідну балку тридцятиметрової довжини і не мав контакту з грунтом. Коли наставав термін, на балку підвішували високочастотний елемент, завдання якого по команді електронної системи руйнувати оболонку зерен. Тим самим даючи їм можливість проростати – кожен рік «своєму» ряду зерен. А потім, коли прийде час, на ту ж балку підвішувалися інші агрегати, що виконують весь цикл робіт, аж до збирання. Були спроектовані самохідна балка, високочастотні елементи для руйнування оболонки зерна та інші навісні знаряддя [41].
Не заривати насіння в грунт «Масанобу Фукуока, японський фермер, власник гектара зернових і 5 гектарів цитрусового саду, де між деревами, крім того, вирощуються овочі. До 1975 році, до моменту написання своєї знаменитої книги [44], грунт на його фермі не вспахивалась вже 25 років. Основою свого методу він вибрав принцип (А. С.) «Чого не можна робити». За багато років натурально землеробства Фукуока відмовився від більшості надуманих агротехнік. Він навіть рис кидав прямо на землю, використовуючи природний закон розмноження, на якому насіння з волоті падають зверху грунту – ніхто їх в землю не зариває. Але ось тут-то його і чекало пригода. Майже весь насіннєвий фонд знищувався мишами, горобцями і іншими любителями насіння. Якщо він ставив опудало, то через рік воно вже не давало ефекту, ставив трещотки – і через рік звиклі до трещеткам мешканці саду знову поїдали все насіння. Як вирішити проблему, нікого не вбиваючи і не відлякуючи? Відкриття було несподівано простим, легким та ефективним – насіння в глиняних капсулах, рецепт діда Fukuoka. ...Крім рису, Фукуока укладає в капсули насіння інших зернових і насіння овочів – результат вражає... Глиняні капсули просто розкидаються по поверхні ґрунту і не вимагають ніяких додаткових робіт (А. С.) або механізмів... Метод вимагає незначних тимчасових і грошових витрат порівняно з іншими методами посіву і суперэффективен на невеликих присадибних ділянках. Кулька з суміші глини і біогумусу надійно захищає насіння від яскравого сонця, висихання, поїдання мишами і птахами, здування поривами вітру. Коли випаде достатня кількість опадів і насіння всередині кульок проклюнуться – у них буде збалансоване харчування за рахунок наявності в суміші мікроелементів і корисних бактерій з біогумусу. Особливо корисна висадка глиняними капсулами у регіонах, де випадання опадів важко передбачуваний» [45]. Лінія №6. «Збільшення ступеня ідеальності агротехнічного процесу» Головна функція будь-якого процесу – отримати якісний продукт в необхідній кількості. За аналогією з формулою ідеальної технічної системи [4, с. 136]можна сказати, що «ідеальний процес – це коли процесу немає, а якісний продукт необхідним кількості виходить». Технологічні процеси розвиваються в напрямку збільшення їх ідеальності. Розглянуті вище способи скорочення кількості агротехнічних операцій показують, що процеси вирощування сільськогосподарських культур теж розвиваються у напрямі збільшення ступеня їх ідеальності. Можна виділити наступні кроки цього розвитку: Рис. 32. Лінія «згортання» агротехнічного процесу. суміщення операцій – виконання декількох операцій за один прохід машини по полю;
скорочення кількості операцій – «згортання» процесу вирощування культур:
обробка грунту без оранки (No-till);
один посів кількох років;
розсівання насіння в капсулах по полю.
Суміщення операцій і скорочення їх кількості знижує число проходів машин по полю і, отже, ущільнення грунту. Якщо продовжити «згортання» процесу вирощування культур, то потрібно розглянути можливість усунення решти операцій. Докладніше про це див. статтю «Стратагеми ідеального землеробства» на с. ... . Портрет ідеального «тягача» В кінці 70-х років минулого століття основоположник ТРИЗ Генріх Саулович Альтшуллер під псевдонімом Р. Альтів в газеті «Піонерська правда» вів для дітей рубрику з винахідництва. У статті «Винаходити? Це так просто! Це так складно!» у розділі «якби трактор міг літати...» задачу удосконалення трактора він сформулював так [46]: «На початку XIX століття тисячі винахідників працювали над удосконаленням вітрильних кораблів. І краще рішення полягало в тому, щоб взагалі відмовитися від вітрил і побудувати пароплав. Бути може, не потрібен вдосконалений трактор, а якийсь принципово новий спосіб пересування сільськогосподарських машин?..» Перш ніж робити новий більш ідеальний спосіб пересування, слід зробити більш ідеальним процес вирощування культури – скоротити якомога більше агротехнічних операцій. Наприклад, якщо обробку грунту взагалі не проводити, а сіяти зерна в капсулах по поверхні поля, то залишається тільки три великі операції: посів по поверхні поля, обробка рослин (полив, внесення добрив) і прибирання врожаю. Потім треба зробити «ідеальну» машину для переміщення знарядь, що виконують решту операції. Ідеальна машина – ця машина, якої немає, яка не виробляє ніяких небажаних ефектів, а її функція виконується. Отже, ідеальний «тягач» – це коли знаряддя (сівалки, обприскувачі та жниварки) переміщаються по полю самі і при цьому не ущільнюють грунт. Якщо здійснити самостійний рух цих знарядь по полю поки складно, то можна трохи відступити від ідеалу і використовувати універсальний носій для цих знарядь, який не ущільнює грунт. Сьогодні таким носієм може бути мостовий трактор або агромост, що рухається з постійним технологічних коліях. Висновки Отже, існують наступні способи зменшення тиску на грунт при підвищенні врожайності та якості вирощуваних культур: 1. Використання постійної технологічної колії: рух машин по полю з однаковою шириною колії у всіх машин;
використання мостового трактора з шириною прольоту (колії) 4-12 і більше метрів;
використання агромоста з шириною прольоту до 50-100 метрів;
зменшення площі слідів на полі за рахунок переходу до руху з постійним технологічним «точках» – крокуючі машини, струнний агромост.
2. Перехід до безконтактного рушію – повітряна подушка, дирижабль. 3. Перехід до самодвижущимся с/г машинам. 4. Зменшення кількості проходів техніки по полю за рахунок зменшення кількості агротехнічних операцій: використовувати машини, що виконують кілька операцій за один прохід;
скоротити кількість агротехнічних операцій: - перейти від традиційної технології обробітку ґрунту до нульової (no-till); - перейти до посіву насіння в оболонках раз в 2-3 року; - перейти до посіву насіння в оболонках по поверхні поля.
металічна гусениця;
гумова гусениця;
пневматичне колесо;
пневматична гусениця;
потік повітря – повітряна подушка;
поле – сили виштовхування (сила Архімеда) – дирижаблі.
Рис. 12. Розвиток рушія по лінії збільшення ступеня подрібнення Згідно лінії розвитку технічних систем в напрямку збільшення ступеня дроблення їх робочих органів рушії наступних поколінь повинні діяти на мікрорівні, бути ще більш роздробленими – рідинними, газовими або польовими (див. рис. 12). Деякі з таких «микроуровневых» рушіїв вже існують у вигляді експериментальних машин, моделей, іграшок і фантастичних ідей. Наприклад, щітковий рушій, всюдиходи і судна на повітряній подушці, проект дирижабля–садівника, магнитоплан, антигравитон. СПОСІБ 2: ХОДИТИ ПО УТОРОВАНИМ ДОРІЖКАХ Знизити ущільнення ґрунту колесами машин можна, якщо впорядкувати рух машин по полям, наприклад, рухатися з постійних технологічних колій. Постійні колії «Тиск на грунт ніг людини і коня, і нині, і 100 років тому було одним і тим же – куди більшим, ніж у трактора і «шлейфу» машин до нього. І, тим не менш, оптимістичний прогноз не виправдався: механічний сільськогосподарський привід збільшив інтенсивність і частоту впливу на землю. Зараз, коли сліди від тракторів, комбайнів, самохідних машин і автомобілів перекривають практично 100% посівної площі, проблема ущільнення стала особливо серйозною» [2]. На малюнку 13 показана поверхня поля, оголена після ерозії верхніх шарів грунту. На полі видно сліди від коліс машин, утворені ущільненої грунтом. Сліди показують, що глибоке ущільненню піддалося близько 80% площі поля [1]. Рис. 13. Сліди сільськогосподарських машин на поле Вважають, що вирішити проблему ущільнення грунту можна, якщо знизити середнє питомий тиск коліс на грунт до 0,15 кг/см2. Поки що зробити це, не використовуючи гігантських і не завжди зручних шин, не вдається. Тому багато фермери воліють «пробивати» на своїх полях «постійні колії» і рухатися тільки по них, не зачіпаючи решту землі [2] (див. рис. 14). Рис.14. Вивантаження зерна комбайном у вантажівку, що рухається по сусідній технологічної колії [21] Землеробство з використанням постійної технологічної колії або, як його називають зарубіжні дослідники, керованим рухом по полях (Controlled Traffic Farming – CTF) – це відділення зон руху від зон вирощування рослин. На практиці це означає, що: одні і ті ж колісні колії використовуються для обробки ґрунту, садіння рослин, обприскування та збирання;
колеса всіх тракторів і машин встановлені на одну і ту ж ширину колії (див. рис. 15) [22].
Рис. 15. Однакова ширина колії для всіх машин У більшості фермерів, які не використовують рух техніки з постійним коліях, ширини колій машин різні і рухаються вони по полю в різних напрямках, що призводить до покриття слідами коліс більше 80% площі поля (див. рис. 16) [23]. На малюнку також показано площа покриття поля слідами коліс від машин при переході від традиційної технології обробки поля до технології без оранки (no-till) і потім до використання постійної технологічної колії. Порівняння засноване на 3-х метрової ширини колії машин. Ширини захвату збирального комбайна, обприскувача та культиватора кратні 3 метрам і в даному випадку становлять 9 метрів. Можливе використання і більшого обладнання, наприклад, 15-ти метрового обприскувача. Рис. 16. Площа покриття поля слідами коліс Перехід до технології no-till, при якій використовується менше агротехнічних операцій, а, отже, і потрібно менше проходів техніки полями, скорочує площу слідів машин на поле до 46%. Використання постійної технологічної колії і налаштування ширини колії у всіх машин на один розмір дозволяє скоротити площа слідів на полі до 14%. В Австралії приблизно 1 млн гектарів обробляється з використанням технології керованого руху по полях [21]. Ось що говорить про використання технологічної колії спеціаліст з питань ущільнення ґрунтів з Австралії Рохан Рэйнбоу: «насправді проблема ущільнення грунту дуже проста, і вирішити її не складно, важливо зрозуміти головне: вибір техніки ніякої суттєвої ролі в цьому питанні не грає. Все залежить від того, як ви маєте машину на полі, як вона пересувається по ньому. Ідеальне розташування трактора – коли два колеса знаходяться на відстані 2-3-х метрів від його центральної осі і переміщаються по одній колії (див. рис. 17). Те ж стосується і іншої техніки, що рухається по полю, – колеса повинні йти «слід у слід» за єдиною колії. Це здається дуже легко, але дуже багато фермери ставлять колеса в різні місця і, як наслідок, виникають проблеми. Є ще одна тонкість: важливо, щоб розпилювач був в кілька разів ширше, ніж сівалка, таких же розмірів варто підбирати і комбайн. ...Хочу підкреслити, що ущільнення грунту – це проблема фермерів, а не техніки, важливо просто зрозуміти це і діяти» [24]. Рис. 17. Трактор із збільшеною довжиною колісних осей Система землеробства з постійною технологічною колією володіє наступними перевагами: нижче вартість виконання агротехнічних операцій із–за зменшення споживання палива, витрат часу і праці, економії на насінні, обприскуванні і добриві, 10-25% економії може бути отримано відразу;
менше ерозія грунту, і вона краще утримує вологу, що забезпечується правильно обраним напрямком рядів;
дозволяє проводити міжрядний посадку рослин, їх культивацію і в підживлення добривами;
поєднується з нульовою обробкою грунту і дає можливість отримати максимальний прибуток від неї;
покращує управління точними сельскохозяйствнными знаряддями і системами;
вище продуктивність.
Навіть під час культивації можна очікувати 50% економії палива від використання постійної технологічної колії. Втрати врожаю від незасаженных колій залежать від відстані між ними. Але врожайність на «нетоптанных» площах вище [23]. Комбайн, модифікований під систему землеробства з технологічною колією, рухається швидше, ніж по звичайному полю, і, маючи краще зчеплення з грунтом, споживає менше палива (див. рис. 18) [21]. Рис. 19. Комбайн на технологічній колії Можна ще більше знизити площа покриття поля слідами коліс, якщо збільшити відстань між технологічними коліями. Мостовий трактор Історія мостового (портального) трактора почалася в 1855 році, коли англієць Олександр Халкотт створив портальну машину на рейках, в якій він бачив засіб застосування енергії пари для всіх сільськогосподарських операцій. Але серйозні роботи по дослідженню таких машин почалися лише через 100 років і особливо активізувалися в останні два десятиліття [25]. Розробкою портальних тракторів займалися в США, Великобританії, Швеції, Голландії, Ізраїлі, Японії, Австралії. В СРСР теж проводилися подібні роботи, упор робився на використання машин з електроприводом як на полі, так і в теплицях, а машини з гідравлічним приводом застосовувалися для поливу і внесення хімікатів. У 1975 році свій перший мостовий трактор побудував Девід Доулер. Це чотириколісний трактор з прольотом 12 метрів і поворотними колесами, які забезпечують йому високу маневреність. Мостовий трактор пересувається по постійним коліях, розташованих на відстані, рівній його прольоту. Рух трактора в поздовжньому напрямку забезпечується поворотом головних провідних коліс на 90 градусів (див. рис. 20). Рис. 20. Мостовий трактор Доулера початку 1990-х Дослідження, проведені в Австралії і Великобританії з мостовим трактором Доулера, що рухаються по технологічних коліях, показали, що вартість посіву культур знижується на 40%, економія енергії при обробці ґрунту досягає 55%, значно поліпшується якість обробки і структура ґрунту. Мостовий трактор Доулера, керований системою лазерного наведення, використовується також в Голландії для виконання високоточних польових операцій. Впровадження мостових тракторів приносить наступні вигоди: мінімізуються втрати площі за проходження техніки;
автоматизується виконання агротехнічних операцій;
досягається висока точність позиціонування знарядь;
знижується пошкодження врожаю;
поліпшується обробка грунту.
Однак поки що є мало даних про врожаї культур на великих площах, де постійно підтримувався режим руху техніки, технологічних коліях [25]. Довжина прольоту мостового трактора може бути від 3 до 21 метра і визначається особливостями вирощуваної культури, обмеженнями на розміри транспортних засобів і вартістю. В Ізраїлі з 1996 року експлуатується трактор з шириною прольоту 5,8 метра і висотою дорожнього просвіту 1,8 метра з чотирма ведучими колесами (див. рис. 21). Рис. 21. Мостовий трактор з шириною прольоту 5,8 метра Чим довше проліт мостового трактора, тим більше потрібно площі на краю поля для його розвороту. На рисунку 22 зображено поле для посіву, схема руху і приклади розворотів мостового трактора на поворотній смузі [26]. Рис. 22. Схема руху і розворотів мостового трактора на поле Щоб почати експлуатацію мостового трактора, слід попередньо вирівняти грунт. Тягове зусилля у мостового трактора низька, і його вигідно застосовувати при технології no-till, де немає таких енергоємних операцій, як отвальная оранка ґрунту. Мінімальна енергоозброєність мостового трактора з приводом на два колеса повинна бути 15 кВт/т. Зміщення навантаження від центральної лінії трактора не впливає на стабільність його управління при наявності достатньої тягового зусилля на колесах. При роботі на мостових тракторах водієві повинна бути забезпечена добра видимість колії. Повинні бути передбачені: засоби керування машиною в поздовжньому напрямку, обмежений виступання частин машини за межі колії, пристрій для забезпечення різної швидкості обертання коліс. У Швеції компанії TEC і Biovelop AB розробляють мостовий трактор під назвою BIOTRAC з 4-ма провідними керованими колесами, призначений для точного земледения з керованим рухом по технологічних коліях і системою глобального позиціонування GPS (див. рис. 23) [26]. Рис. 23. Шведський мостовий трактор BIOTRAC Досвід застосування мостових тракторів в зернових господарствах, показав, що вони можуть бути використані в якості заміни або доповнення до існуючих тракторним систем і призводять до підвищення врожайності зернових на 7% [25]. Якщо ще більше збільшити довжину прольоту мостового трактора, то отримаємо стаціонарний агротехнічний міст. Мостове агротехнічний комплекс «Свого часу проекти мостового землеробства пропонували англієць Халкотт, наші співвітчизники М. Pravotorov, К. Борін, поляк Б. Свецкий та ін. Автоматизований мостовий агротехнічний комплекс (АМАК) – це самохідний завод, а АМАК-система – це землеробське автоматизоване і повністю електрифіковане підприємство, призначене для масового гарантованого виробництва продуктів землеробства на великих окультурених угіддях рівнинного типу (див. рис. 24). Рис. 24. Автоматизований мостовий агротехнічний комплекс У чому АМАК-система більш ефективна порівняно із звичайною тракторної? При виробництві однакової по кількості і якості цільового продукту (зерна, овочів, кормових культур тощо), АМАК-система буде споживати значно менше ресурсів, зовсім не буде забруднювати навколишнє середовище і... поліпшить якість землі. В 1,5 рази менше знадобиться... насіння, води і площі активних угідь за рахунок підвищення врожайності, адже не буде переущільнення ґрунту ходовими частинами тракторів, комбайнів, автомобілів і прицепленных агрегатів. Які потрібні капітальні вкладення щоб побудувати першу дослідну АМАК-систему? Тут все залежить від мети. Якщо мета – переконатися в її працездатності і обмежитися ста гектарами активного угіддя, досить 50-100 млн рублів. Якщо мета – переконатися в її ефективності порівняно з тракторної і отримувати, ... 1-2 мільйона тонн зерна щорічно, необхідно 1-2 млрд рублів (у цінах 1990 року – А. С.) [27]. «Переваги агромостового комплексу: своєчасне виконання агротехнічних заходів незалежно від погодних умов і часу доби (у термін);
...програмування врожаїв з їх підвищенням до максимального біологічного межі за рахунок координатного посіву (посадки) і догляду за рослинами, що забезпечують можливість усунення строкатості родючості грунту та оперативної локалізації вогнищ ураження посівів хворобами та шкідниками;
виключення забруднення природного середовища отрутохімікатами, нафтопродуктами та їх відходами;
скорочення витрат води, насіння, добрив, металу і енергії на одиницю продукції;
виняток потреби в рідкому паливі за рахунок застосування централізованого електропостачання;
перерабатка з безвідходним технологіям зібраного врожаю в готову для реалізації продукцію;
вивільнення людей з польових робіт за рахунок автоматизації і роботизації технологічних процесів;
підвищення престижу селянської праці» [28].
Є у агромостового комплексу і свої недоліки: «Землеробство прив'язане до рейкових коліях, грунт ущільнюється в місцях укладання рейок. Але... відстань між рейками можна робити набагато більше, ніж колія трактора: 20-30 м і навіть 50-150 м, а можливо і ще більше. Головна причина, чому поки мостове землеробство залишається проектом, – це величезні грошові (стартові – А. С.) витрати, дуже велика витрата металу» [29]. Лінія №4. «Зменшення площі слідів рушіїв на полі» Аналіз взаємодії сільськогосподарських машин з полем по параметру «площа залишаються на полі слідів» дозволяє побачити тенденцію зменшення площі покриття поля слідами машин. Ця тенденція добре узгоджується з описаної в ТРИЗ лінією розвитку зони взаємодії інструменту з виробом «дію по точці – дія по лінії – дія по площині – дія за обсягом» [20, 30]. Ця лінія показує, що зона корисної дії в процесі розвитку технічних систем має тенденцію до розширення від точки до лінії, від лінії до площини, від площини до об'єму. А зона шкідливої дії – відповідно навпаки (див. рис. 25). Рис. 25. Лінія розвитку зони взаємодій «Точка – лінія – площина – обсяг» Для шкідливої дії рушіїв машин на полі спостерігається та ж тенденція – з розвитком машин і технологій зменшується площа покриття поля слідами машин. 1. Традиційна технологія обробки грунту: багато агротехнічних операцій виконується безліччю різних машин. Шкідлива дія рушіїв машин поширюється майже на всю поверхню поля. Площа покриття поля слідами становить більше 80%. На лінії розвитку зони взаємодій це відповідає «дії по поверхні». 2. Технологія нульового обробітку ґрунту (no-till) – менше операцій, менше машин і, як наслідок, менше слідів за рахунок меншої кількості проходів машин по полю. Площа покриття поля слідами близько 46%. За формою сукупність всіх слідів на поле нагадує неупорядковану сітку. На лінії розвитку зони взаємодій це можна віднести до вибіркового «дії по поверхні». 3. Технологію no-till об'єднали з рухом машин по технологічних коліях. Слідів на полі стало менше, а самі сліди стали впорядкованими і постійними. Площа покриття поля слідами скоротилася до 14%. На лінії розвитку зони взаємодій це відповідає «дії по лінії». 4. Технологія no-till + технологічна колія + мостовий «трактор» або мостовий агрокомплекс замість тракторів і комбайнів. Упорядкованих і постійних слідів стало ще менше, площа покриття поля близько 7%. На лінії розвитку зони взаємодій це також «дію по лінії». Далі, якщо продовжити тенденцію зменшення площі слідів на полі, то у відповідності з лінією розвитку зони взаємодій можна припустити, що наступне покоління машин буде рухатися по полях, спираючись на постійні технологічні майданчики – точки. Прототипами таких машин можуть бути струнний агромост і крокуючий трактор. Струнний агромост Як і в проекті струнного транспорту Юницкого, на оброблюваному полі можна встановити опори з натягнутими струнами. По струнах буде рухатися балка з прикріпленими до неї знаряддями для обробітку ґрунту і рослин. Опори не будуть займати багато місця, і вся інша площа поля залишиться «нетоптанной» (див. рис. 26). Презентація моделі СТЮ (масштаб 1:5) послу Філліпін в Росії, квітень 2001 року Струнний транспорт Юницкого (СТЮ) СТЮ являє собою попередньо напружені рейки-струни, підняті на опорах на висоту 5-25 метрів. По двох рейках-струнах рухаються чотириколісні транспортні модулі. Завдяки високій рівності і жорсткості струнної шляхової структури легко досяжні швидкості руху 250-350 км/ч. Вартість струнних магістралей, що забезпечують пропускну здатність понад 50 тисяч пасажирів і 50 тисяч тонн вантажу на добу, складе $600-800 тисяч за один кілометр, а з інфраструктурою та рухомим складом – $900-1200 тисяч за км. Поки проект СТЮ не реалізовано [31].
Рис. 26. Струнний агромост Крокуючий трактор Це керований крокуючий мостовий робот, що несе на собі сільськогосподарські знаряддя (див. рис. 27). Крокуюча машина для роботи в лісі [33] Крокуючі машини Прототипом крокуючої машини, що спирається на постійні технологічні майданчики на полі, може служити робот–павук, побудований фінським філією компанії John Deere для лісового господарства. Робот-павук оснащений шістьма ногами зі змінними підошвами і може рівномірно розподіляти вагу між ними. Робот мінімізує травмування лісової грунту і руйнування коренів дерев при розчистці і вирубці лісу [32].
Рис. 27. Крокуючий мостовий трактор Якщо продовжити лінію розвитку зони взаємодій у бік зменшення шкідливої дії, то можна припустити, що шкідлива дія може бути зведене до безконтактного увазі (дія передається через поле – магнітне, гравітаційне тощо), або воно зникає зовсім (див. рис. 28). Рис. 28. Лінія взаємодій, продовжена в бік зменшення шкідливої дії Слідуючи цій модифікованої лінії взаємодій, можна припустити, що машини наступного покоління взагалі не будуть залишати слідів на полі. І такі машини вже існують – це всюдиходи на повітряній подушці і літальні апарати. Дирижабль-садівник Дирижабль SkyCat може гасити пожежі Прототипом ідеї застосування дирижабля в сільському господарстві може служити проект каліфорнійської компанії Wetzonе Engineering, в якому пропонується використовувати дирижаблі для гасіння лісових пожеж, розпилення добрив та відновлення лісів. Розробники вважають, що дирижаблі зможуть нести до мільйона літрів води, скидаючи її різними способами на палаючий ліс [34]. Дирижаблі відповідної вантажопідйомності (серія SkyCat) будує британська компанія Advanced Technologies Group Ltd. [35].
Дирижаблі будуть виливати мільйон літрів води на згарище, а потім бомбити його саджанцями дерев. Посадка дерев є повільним і дорогим процесом, тому компанія Wetzonе Engineering запропонувала повітряний метод відновлення лісових масивів. Саджанці дерев або розсада рослин упаковується в саморазлагающиеся пакети конусоподібної або округлої форми, що містять необхідну кількість вологи і поживних речовин (див. рис. 29). Вибраний район піддається бомбардуванню цими пакетами, що і оптимізує відновлення лісових масивів. В даний час фахівці з Wetzone Engineering працюють над створенням дослідних зразків [34]. Рис. 29. Бомбардування згарища пакетами з саджанцями [35] В Росії теж замислюються про застосування дирижаблів для нафтогазових підприємств і сільського господарства. Дирижаблі витрачають менше пального, ніж літаки і вертольоти, оскільки і так тримаються в повітрі і не вимагають аеродрому. Наприклад, керівництво компанії «Славнефть» вважає, що використовувати дирижаблі дешевше, ніж будувати дороги з твердим покриттям між буровими вишками. Хто знає, може, років через п'ятдесят дирижаблі можуть бути задіяні і в сільському господарстві хоча б для хімічної обробки полів з повітря, ніж коли-то займалися багатоцільові біплани «АН-2» [36]. Отже, 4-ю лінію розвитку сільськогосподарських машин можна сформулювати в наступному вигляді: машини розвиваються в напрямку зменшення площі слідів їх рушіїв на поле (див. рис. 30). Рис. 30. Лінія зменшення площі слідів рушіїв на поле СПОСІБ 3: «ЗГОРНУТИ» АГРОТЕХНІЧНИЙ КОМПЛЕКС Винести «тягач» за межі поля Вище було сформульовано протиріччя для «тягача» (трактора): «тягач» повинен бути важким, щоб добре зчіплюватися з грунтом і розвивати велике тягове зусилля, і повинен бути легким, щоб не ущільнювати грунт. Це протиріччя можна подолати, використовуючи винахідницький прийом «Принцип винесення». Принцип винесення: відокремити від об'єкта «заважає» частина («заважає» властивість) або, навпаки, виділити єдино потрібну частину (потрібне властивість) [4, с. 91].
Цей прийом дозволяє розділити суперечливі вимоги до «тягача» в просторі. Від «тягача» можна відокремити і винести на край поля важку частину, яка ущільнює грунт, а на полі залишити тільки потрібну частину – ту, що передає тягне силу до знаряддю, це може бути ланцюг або трос. Таку систему під назвою «саморушний паровий плуг» запропонував наприкінці XIX століття засновник Німецького сільськогосподарського товариства (DLG) агроинженер Макс Айт (див. рис. 31) [37, 38]. Рис. 31. Саморушний паровий плуг Макса Айта Винести «тягач» і колеса гармат за межі поля Можна ще більше знизити ущільнене дія на грунт, якщо винести за межі поля не тільки «тягач», але і опори сільськогосподарських знарядь (див. розділ «Мостове землеробство»). Знаряддя рухаються по полю самі Ідеальний «тягач» – це відсутній «тягач». «Тягач» не потрібен, якщо знаряддя переміщається по полю саме. Один з можливих варіантів: «Цікавий ефект може бути отриманий при використанні ефектів на рівні мікроструктури матеріалу лемеші, наприклад, можна отримати технічну систему (ТС), згорнуту в робочий орган – серія лемешів з електрострікціонних матеріалів, налаштованих в протифазі, буде рухатися сама, залишаючи за собою смугу зораної землі. Звичайно, ...ці пропозиції потребують експериментальної перевірки та конструкторської проробки, але витрати на дослідні і дослідно-конструкторські роботи обов'язково окупляться, так як вони лежать на магістральному шляху розвитку МС – шлях випереджаючого розвитку робочого органу»[39]. Лінія №5. «Згортання агротехнічного комплексу «тягач + знаряддя» Наведені приклади демонструють лінію згортання агротехнічного комплексу «тягач+знаряддя»: у комплексу поступово зменшується кількість частин, що надають шкідливу дію на грунт: Рис. 31. Лінія «згортання» агротехнічного комплексу «тягач + знаряддя». «тягач» відокремили від знаряддя і винесли за межі оброблюваного поля, залишилася тільки зв'язок, що передає енергію знаряддю;
опори знаряддя винесли за межі оброблюваного поля – агромост спирається на постійні колії і тримає знаряддя на вазі;
«тягача» і опор немає – знаряддя сама рухається по полю;
знаряддя обробітку ґрунту і рослин немає, оскільки немає необхідності у виконанні відповідної агротехнічної операції.
СПОСІБ 4: СКОРОТИТИ КІЛЬКІСТЬ ОПЕРАЦІЙ Якщо спробувати скоротити кількість агротехнічних операцій без шкоди для якості і врожайності вирощуваної культури, то зменшиться кількість проходів техніки по полю, а значить, і її ущільнення. Які є способи скорочення операцій? Виконати кілька операцій за один прохід машини по полю Завдання передпосівного обробітку ґрунту – створити сприятливі умови для проростання насіння і розвитку кореневої системи, рівномірного розподілу поживних речовин в зоні розташування основної маси коренів і забезпечити мінімальні втрати вологи. Для досягнення поставленої задачі необхідно розпушити грунт, роздрібнити брили, створити мелкокомковатую структуру, вирівняти і ущільнити верхній шар грунту. Це можна зробити шляхом багаторазової обробки грунту однооперационными знаряддями, культиваторами, боронами та волокушами-вирівнювачами, планувальниками, дисковими знаряддями, різними катками. Але при цьому виникає ряд проблем: додатковий витрата енергоресурсів (палива, робочої сили) і коштів на придбання сільськогосподарських машин, втрати вологи при кожній додатковій обробці, збільшення строків підготовки ґрунту для посіву, надмірне ущільнення грунту. Застосування сучасних комбінованих агрегатів дає можливість поєднати різні технологічні операції та прискорити підготовку ґрунту до посіву. Це дозволяє провести сівбу в оптимально короткі терміни, забезпечує роботу посівного агрегату на підвищених швидкостях (без шкоди якості), що в підсумку в 1,5–3 рази підвищує продуктивність агрегату, на одну третину скорочує витрати праці, витрати ПММ – на 30-39%. Забезпечуються рівномірні і дружні сходи і прискорений стартовий ріст рослин, підвищується врожайність. Для виготовлення одного комбінованого агрегату потрібно на 20-30% менше металу, ніж для виготовлення декількох однооперационных знарядь. Рентабельність виробництва зерна зростає на 18,8–26%. У країнах з високорозвиненим сільським господарством давно відмовилися від багатоопераційних технологій передпосівного обробітку ґрунту і велику увагу приділяють зменшенню загальної кількості операцій з обробітку ґрунту, заміні багаторазових передпосівних обробок одноразової багатофункціональної операцією. Майже повсюдно застосовують комбіновані технологічні агрегати для підготовки грунту до посіву. Здійснюється перехід до мінімальної обробки грунту [40]. Перейти до сберегающим технологій обробки грунту До сберегающим технологій обробки грунту, по відношенню до традиційної, відносять безвідвальну, мінімальну і нульову (no-till) (див. статтю «Еволюція технологій обробки ґрунту» на с. 62 (див. http://www.triz-profi.com/magazin2.html). Ці технології докладно розглянуто в книзі «No-till – крок до ідеального землеробства» [42] і в статті «No-till в Росії – час настав?» на с. 114 (див. http://www.triz-profi.com/magazin2.html). «Застосування технології no-till є найбільш радикальним способом для розущільнення ґрунтів. Цьому сприяють наступні чинники та особливості технології. Значно знижується кількість проходів техніки по полю. Посівна техніка проходить по полю тільки один раз за весь сезон машини виходять на поле не більше 3-5 разів.
Відсутній оранка.
Грунт менше піддається ущільненню» [42, 60 с..].
Переваги no-till «При обробці грунту за технологією no-till використовується менше устаткування, ніж при звичайній традиційній обробці. Для роботи за технологією no-till необхідна наступна техніка: обприскувач, сівалка прямого посіву (стерневая сівалка) і комбайн з пристосуванням для рівномірного розкидання соломи та рослинних решток» [42, с. 72.]. А ось що говорить про переваги такої технології представник компанії «Агро-Союз» Роман Назаренко: «На американських полях, які вже 34 роки не знають плуга, витрата палива на 1 га не перевищує 11,4 л за весь агросезон. Якщо ж перед посівом фермери практикують культивацію, пального витрачається на 3,6 л/га більше. Всього лише... Пояснення цієї фантастичної за нашими мірками економії енергоресурсів виявляється дуже простим. ...З переходом на беспахотную систему землеробства на кожні 10 тисяч га посівних площ потрібен тільки один трактор, один посівний комплекс, один обприскувач і три комбайна. Всі! За умови, звичайно, що вся техніка широкозахватна, високопродуктивна і максимально потужна. Так, у господарстві «Агро-Союзу» трудяться 400-450-сильні трактори, 18-метрові сівалки, обприскувачі з 27-метрової штангою і комбайни з 11-метровими жниварками. І вся ця дорога техніка окупається з лишком. Тільки за останні 3 роки рентабельність рослинництва в «Агро-Союзі» зросла майже в 6(!) раз» [43].
Сіяти раз на кілька років Така незвичайна технологія посіву зернових розроблялася у відділі прогнозів науково-дослідного інституту сільськогосподарського машинобудування (ВАТ «ВИСХОМ») під керівництвом Зиновія Жука. Стріляємо зернами Кожне зерно поміщали в спеціальну оболонку і зовнішнім виглядом зерна нагадували дрібні цукерки-драже. Такими «цукерками» передбачали «стріляти» в грунт раз на два-три роки. Стріляти повинен був навісний механізм, керований електронікою, який підвішувався на самохідну балку тридцятиметрової довжини і не мав контакту з грунтом. Коли наставав термін, на балку підвішували високочастотний елемент, завдання якого по команді електронної системи руйнувати оболонку зерен. Тим самим даючи їм можливість проростати – кожен рік «своєму» ряду зерен. А потім, коли прийде час, на ту ж балку підвішувалися інші агрегати, що виконують весь цикл робіт, аж до збирання. Були спроектовані самохідна балка, високочастотні елементи для руйнування оболонки зерна та інші навісні знаряддя [41].
Не заривати насіння в грунт «Масанобу Фукуока, японський фермер, власник гектара зернових і 5 гектарів цитрусового саду, де між деревами, крім того, вирощуються овочі. До 1975 році, до моменту написання своєї знаменитої книги [44], грунт на його фермі не вспахивалась вже 25 років. Основою свого методу він вибрав принцип (А. С.) «Чого не можна робити». За багато років натурально землеробства Фукуока відмовився від більшості надуманих агротехнік. Він навіть рис кидав прямо на землю, використовуючи природний закон розмноження, на якому насіння з волоті падають зверху грунту – ніхто їх в землю не зариває. Але ось тут-то його і чекало пригода. Майже весь насіннєвий фонд знищувався мишами, горобцями і іншими любителями насіння. Якщо він ставив опудало, то через рік воно вже не давало ефекту, ставив трещотки – і через рік звиклі до трещеткам мешканці саду знову поїдали все насіння. Як вирішити проблему, нікого не вбиваючи і не відлякуючи? Відкриття було несподівано простим, легким та ефективним – насіння в глиняних капсулах, рецепт діда Fukuoka. ...Крім рису, Фукуока укладає в капсули насіння інших зернових і насіння овочів – результат вражає... Глиняні капсули просто розкидаються по поверхні ґрунту і не вимагають ніяких додаткових робіт (А. С.) або механізмів... Метод вимагає незначних тимчасових і грошових витрат порівняно з іншими методами посіву і суперэффективен на невеликих присадибних ділянках. Кулька з суміші глини і біогумусу надійно захищає насіння від яскравого сонця, висихання, поїдання мишами і птахами, здування поривами вітру. Коли випаде достатня кількість опадів і насіння всередині кульок проклюнуться – у них буде збалансоване харчування за рахунок наявності в суміші мікроелементів і корисних бактерій з біогумусу. Особливо корисна висадка глиняними капсулами у регіонах, де випадання опадів важко передбачуваний» [45]. Лінія №6. «Збільшення ступеня ідеальності агротехнічного процесу» Головна функція будь-якого процесу – отримати якісний продукт в необхідній кількості. За аналогією з формулою ідеальної технічної системи [4, с. 136]можна сказати, що «ідеальний процес – це коли процесу немає, а якісний продукт необхідним кількості виходить». Технологічні процеси розвиваються в напрямку збільшення їх ідеальності. Розглянуті вище способи скорочення кількості агротехнічних операцій показують, що процеси вирощування сільськогосподарських культур теж розвиваються у напрямі збільшення ступеня їх ідеальності. Можна виділити наступні кроки цього розвитку: Рис. 32. Лінія «згортання» агротехнічного процесу. суміщення операцій – виконання декількох операцій за один прохід машини по полю;
скорочення кількості операцій – «згортання» процесу вирощування культур:
обробка грунту без оранки (No-till);
один посів кількох років;
розсівання насіння в капсулах по полю.
Суміщення операцій і скорочення їх кількості знижує число проходів машин по полю і, отже, ущільнення грунту. Якщо продовжити «згортання» процесу вирощування культур, то потрібно розглянути можливість усунення решти операцій. Докладніше про це див. статтю «Стратагеми ідеального землеробства» на с. ... . Портрет ідеального «тягача» В кінці 70-х років минулого століття основоположник ТРИЗ Генріх Саулович Альтшуллер під псевдонімом Р. Альтів в газеті «Піонерська правда» вів для дітей рубрику з винахідництва. У статті «Винаходити? Це так просто! Це так складно!» у розділі «якби трактор міг літати...» задачу удосконалення трактора він сформулював так [46]: «На початку XIX століття тисячі винахідників працювали над удосконаленням вітрильних кораблів. І краще рішення полягало в тому, щоб взагалі відмовитися від вітрил і побудувати пароплав. Бути може, не потрібен вдосконалений трактор, а якийсь принципово новий спосіб пересування сільськогосподарських машин?..» Перш ніж робити новий більш ідеальний спосіб пересування, слід зробити більш ідеальним процес вирощування культури – скоротити якомога більше агротехнічних операцій. Наприклад, якщо обробку грунту взагалі не проводити, а сіяти зерна в капсулах по поверхні поля, то залишається тільки три великі операції: посів по поверхні поля, обробка рослин (полив, внесення добрив) і прибирання врожаю. Потім треба зробити «ідеальну» машину для переміщення знарядь, що виконують решту операції. Ідеальна машина – ця машина, якої немає, яка не виробляє ніяких небажаних ефектів, а її функція виконується. Отже, ідеальний «тягач» – це коли знаряддя (сівалки, обприскувачі та жниварки) переміщаються по полю самі і при цьому не ущільнюють грунт. Якщо здійснити самостійний рух цих знарядь по полю поки складно, то можна трохи відступити від ідеалу і використовувати універсальний носій для цих знарядь, який не ущільнює грунт. Сьогодні таким носієм може бути мостовий трактор або агромост, що рухається з постійним технологічних коліях. Висновки Отже, існують наступні способи зменшення тиску на грунт при підвищенні врожайності та якості вирощуваних культур: 1. Використання постійної технологічної колії: рух машин по полю з однаковою шириною колії у всіх машин;
використання мостового трактора з шириною прольоту (колії) 4-12 і більше метрів;
використання агромоста з шириною прольоту до 50-100 метрів;
зменшення площі слідів на полі за рахунок переходу до руху з постійним технологічним «точках» – крокуючі машини, струнний агромост.
2. Перехід до безконтактного рушію – повітряна подушка, дирижабль. 3. Перехід до самодвижущимся с/г машинам. 4. Зменшення кількості проходів техніки по полю за рахунок зменшення кількості агротехнічних операцій: використовувати машини, що виконують кілька операцій за один прохід;
скоротити кількість агротехнічних операцій: - перейти від традиційної технології обробітку ґрунту до нульової (no-till); - перейти до посіву насіння в оболонках раз в 2-3 року; - перейти до посіву насіння в оболонках по поверхні поля.
Інші статті
