Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 11
1.1. Состояние почв в Республике Дагестан 11
1.2. Воздействие почвообрабатывающих машин на почву при почвосберегающих агротехнологиях 15
1.3. Агротехнологии позволяющие повысить плодородие почв 21
1.4. Анализ конструкций почвообрабатывающих машин и агрегатов для безотвальной обработки почвы 26
1.4.1. Плоскорезы-глубокорыхлители 29
1.4.2. Чизельные плуги 29
1.4.3. Щелеватели 31
1.4.4. Плоскорезы-щелеватели 33
1.4.5. Комбинированные агрегаты 34
1.4.6. Плуги-рыхлители 39
1.4.7. Отвально-лемешные плуги 40
1.5. Обработка почвы, рекомендуемая для Республики Дагестан 51
1.6. Выводы 57
2. Теоретическое исследование взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих машин с почвой 59
2.1. Энергозатраты агротехнологии предотвращающих эрозию почв 59
2.2. Агрономическая оценка распределения гумусового слоя почвы
после обработки 67
2.2.1. Распределения гумусового слоя почвы при обработке лемешно-отвальным рабочим органом 67
2.2.2. Сохранение плодородия почвы при рыхлении 71
2.3. Определение геометрических параметров почвообрабатывающего орудия 77
2.3.1. Определение площади сдвига почвы 77
2.3.2. Определение геометрических параметров и места установки рыхлителя 84
2.3.3. Условия среза корней растений плужным лемехом 89
2.3.4. Влияние неравномерности рельефа поля на устойчивость хода плуга по глубине пахоты 93
2.4. Влияние параметров отвального плуга с рыхлителем на тяговое сопротивление 96
2.5. Выводы 102
3. Программа и методика экспериментальных исследований 104
3.1. Программа экспериментальных исследований 104
3.2. Лабораторно-стендовые исследования 104
3.2.1. Лабораторная установка и оборудование для исследования процесса резания почвы рыхлителем 104
3.2.2. Лабораторная установка и оборудование для исследования процесса резания почвы почвообрабатывающим агрегатом 113
3.2.3. Методика обработки лабораторно-стендовых данных 116
3.3. Полевые исследования 119
3.3.1. Объект исследования и условия проведения исследований 119
3.3.2. Определение плотности и влажности почвы 122
3.3.3. Определение твердости почвы 123
3.3.4. Методика определения глубины обработки почвы 125
3.3.5. Методика проведения тяговых испытаний трактора "Кировец" с почвообрабатывающим агрегатом 125
3.3.6. Методика определения влияния почвообрабатывающего агрегата на урожай сельскохозяйственных культур 129
3.3.7. Тарировка измерительной аппаратуры 129
3.3.8. Обработка данных тяговых испытаний 131
3.3.9. Определение погрешности средств измерения 132
4. Результаты экспериментальных исследовании и технико-экономические показатели 135
4.1. Результаты лабораторно-стендовых исследований 135
4.2. Результаты полевых исследований 148
4.2.1. Изменения плотности почвы после прохода серийного и комбинированного почвообрабатывающих агрегатов 148
4.2.2. Изменения твердости почвы после прохода серийного и комбинированного почвообрабатывающих агрегатов 151
4.2.3. Результаты тяговых и мощностных испытаний 154
4.2.4. Определение влияния комбинированной обработки почвы на урожай зерновых культур 161
4.3. Экономическая оценка эффективности использования трактора "Кировец" с экспериментальным почвообрабатывающим агрегатом 162
Выводы 171
Литература 173
Приложения 185
- Воздействие почвообрабатывающих машин на почву при почвосберегающих агротехнологиях
- Энергозатраты агротехнологии предотвращающих эрозию почв
- Программа экспериментальных исследований
- Изменения плотности почвы после прохода серийного и комбинированного почвообрабатывающих агрегатов
Воздействие почвообрабатывающих машин на почву при почвосберегающих агротехнологиях
Несомненно, эрозионные процессы происходят в результате воздействия на почву почвообрабатывающих машин (рис. 1.1.). Необходимо признать, что в Республике Дагестан эксплуатируют многие машины без должного учета и соблюдения требований экологии. Эта недооценка приводит к эрозии, переуплотнению, обеднению и загрязнению почвы.
Применение экологически безопасных механизированных агротехно логий предусматривает прежде всего минимальное механическое разрушение почвенного покрова рабочими и ходовыми органами машин и тем самым со храняет структуру, естественные условия существования почвенных микро организмов, улучшает плодородие почвы [3].
Одно из главных требований к почвообработке - предотвращение эрозионных процессов. Эрозия наносит непоправимый ущерб земледелию. Она сопровождается значительными потерями плодородного слоя почвы, продуктивной влаги, вносимых удобрений и пестицидов. Все это приводит не только к снижению урожаев, но и к сильному загрязнению рек и водоемов, образованию оврагов, засыпанию мелкоземом лесонасаждений, дорог и строений. На эродированных землях урожайность возделываемых культур снижается на 10...70 %, вследствие чего валовые потери продукции достигают 20 %.
Обрабатываемые склоновые земли, на которых может проявляться водная эрозия, имеют уклоны от 1 до 8. На таких полях может работать обычная серийная техника, однако для предотвращения стока атмосферных осадков и смыва почвы необходимо, чтобы все технологические операции проводили при движении машинно-тракторных агрегатов только поперек склонов или по контурам. На склонах до 3 нормально могут работать любые агрегаты, а на более крутых участках необходимо использовать устойчивые к сползанию навесные и полунавесные машины, а также широкозахватные агрегаты фронтального типа, составленные из прицепных машин (сеялки, куль Воздействие машин на почву
Схема воздействия машин на почву. тиваторы, бороны и др.) в одну линию и шарнирно соединенных между собой. Для уборки урожая целесообразно использовать самоходные машины. Выполнение этих требований позволяет уменьшить смыв почвы до допустимых пределов.
При работе почвообрабатывающих орудий на крутых склонах может возникать механическая эрозия почвы в результате постепенного сдвига верхнего слоя вниз по склону и выхода на поверхность камней и щебня. Избежать механическую эрозию можно вспашкой склонов оборотным плугом, обеспечивающим одностороннее отваливание почвенного пласта вверх по склону. Для улучшения водопоглощения и устранения подпочвенного стока плуги необходимо оборудовать почвоуглубителями или щелерезами, устанавливаемыми за каждым корпусом или через один корпус.
На почвах, подверженных ветровой эрозии, применяется безотвальная обработка почвы с сохранением растительных остатков предшествующих культур. Важный показатель противоэрозионной эффективности безотвальных орудий - степень сохранности пожнивных остатков, которая для плоско-резов-глубокорыхлителей и культиваторов-плоскорезов должна составлять не менее 85 %. На тяжелых почвах, склонных к большому глыбообразова-нию, применяют безотвальные плуги-рыхлители с плоскими наклонными корпусами типа Параплау или обычные плуги со стойками СибИМЭ, сохранность стерни у которых несколько меньше 80 %.
Ветроустойчивость почвы зависит также от степени ее распыленности, поэтому важное требование для любых типов машин - исключение разрушения рабочими органами обрабатываемого слоя почвы на мелкие частицы размером менее 1 мм.
Необходимо отметить, что с каждой последующей после вспашки технологической операцией (культивация, боронование, посев и др.) количество растительных остатков на поверхности почвы уменьшается, что снижает ее устойчивость выдуванию. Поэтому для обеспечения надежной защиты почвы и посевов возделываемых культур от ветровой эрозии необходимо при убор 18 ке предшествующих культур оставлять на поле как можно больше непродуктивной части урожая (солома, стебли, листья и др.). При выращивании крупностебельных культур (подсолнечник, кукуруза, сорго, клещевина и др.) важное условие повышения противодефляционной способности растительных остатков - измельчение их на частицы длиной не более 15 см. Для этого уборочные машины целесообразно оборудовать приспособлениями для измельчения и равномерного разбрасывания стеблей по полю.
Кроме ветровой эрозии в условиях Республики Дагестан возможна и водная эрозия. В связи с этим особенно велика роль обработки почвы на склонах, где продуктивность сельскохозяйственных культур может быть лишь тогда высокой, когда способ обработки почвы максимально предотвращает ее эрозию и вынос за пределы склона питательных веществ, способствует накоплению и сохранению влаги.
Непродуктивные потери почвенной влаги обусловливаются следующими факторами [4]: — стоком атмосферных осадков с поверхности почвы на склоновых участках; — внутрипочвенным стоком влаги на склонах; — испарением влаги из почвы; — инфильтрацией почвенной влаги в глубокие слои; — транспирацией влаги вегетирующими растениями; — сдуванием снега с поверхности полей.
Целенаправленно влияя на эти факторы, можно существенно сократить потери почвенной влаги. Так, снижение потерь влаги за счет стока достигается путем повышения влагопроницаемости и влагоемкости почвы, задержания и уменьшения скорости поверхностного стока, предотвращения (сокращения) внутрипочвенного стока.
Энергозатраты агротехнологии предотвращающих эрозию почв
Начала теории почвообрабатывающих орудий разработаны основоположником земледельческой механики академиком В.П. Горячкиным и его учениками и последователями - В.А. Желиговским, Н.Д. Лучинским, М.Е. Мацепуро, Н.В. Щучкиным, B.C. Жегаловым, А.Д. Далиным, Г.Н. Сине-оковым, А.Н. Гудковым, М.М. Северневым, Х.А. Хачатряном, В.В. Кацыги-ным, А.Т. Вагиным, В.И. Виноградовым, А.Н. Зелениным, А.А. Дубровским, Л.В. Гячевым и др.
Огромный интерес представляют труды выдающегося русского ученого академика Василия Прохоровича Горячкина [86]. Горячкин дал теорию фрикционного клина, наметил путь теоретических исследований рабочих органов почвообрабатывающих орудии на основе переработанной им теории разрушения материалов по Мору, предложил общеизвестную рациональную формулу для определения силы тяги плугов. Эта формула получила всемирное признание и с некоторыми поправками применяется для расчета тяговых сопротивлений разнообразных почвообрабатывающих и землеройных машин и орудий. Им была исследована геометрическая форма корпусов плугов и разработаны методы их проектирования, а также изложены научные основы обеспечения динамической устойчивости почвообрабатывающих машин и орудий.
В трудах В.А. Желиговского [87] наибольший интерес представляют исследования и обоснования технологического процесса работы плуга, а также исследования процесса резания волокнистых материалов лезвием.
Анализируя работы вышеперечисленных ученых можно сделать вывод, что обработка почвы - самый энергоемкий и дорогостоящий прием земледелия. В настоящее время только на одну обработку почвы приходится от 18 до 40 % энергетических и 25 % трудовых затрат от всего объема их на полевых работах [5].
В последние годы в мировом земледелии широкое признание получают новые почвосберегающие агротехнологии основанные на минимализации обработок почвы, способствующие не только сохранению плодородия почвы, но и обеспечивающие значительное снижение энергетических и трудовых затрат [88].
В настоящее время для оценки отдельных приемов минимализации обработки почвы пользуются различными показателями, характеризующими, как правило, косвенные результаты. К таким показателям относятся: глубина обработки, степень распыления почвы, удельное давление ходовых органов, число проходов МТА по полю, приведенная часовая производительность агрегата, удельная энергоемкость машин и т.д.
В качестве универсального показателя, характеризующего интенсивность разрушения и деформации почвы, является энергоемкость процессов воздействия рабочих органов на почву. При этом нужно учитывать общие затраты энергии, связанные с выполнением технологической операции: АЭ=АП+АМ. (2.1) где Ап и Ам — затраты энергии на обработку почвы и передвижение машин по полю, соответственно, Дж.
Затраты энергии на обработку почвы можно определить по значениям ее удельного сопротивления при рыхлении различными типами орудий:
An=104KEKVPanBnSn/BM, где К - удельное сопротивление почвы на единицу сечения обрабатываемого слоя, Н/м ; Ек — коэффициент, учитывающий энергетические затраты от рабочей скорости движения машины; ап, вп — глубина и ширина обрабатывав мого машиной участка поля, м; Vp — рабочая скорость движения машины, м/с; S„ — площадь поля, га; Вм — рабочая ширина захвата машины, м.
Величины К и Ек зависят от конструкции рабочих органов, а также от типа почвы и ее физико-механических характеристик (плотности, влажности, наличия растительных остатков, засоренности, связности и т.д.).
Затраты энергии на передвижение машины по полю можно определить по выражению: AM=104f MXecVpMMgSn/BM, (2.2) где fM — коэффициент сопротивления перекатыванию машины; г)мх - механический к.п.д. ходовых органов машины; єс - коэффициент, учитывающий влияние скорости движения на сопротивление перекатыванию; Мм - эксплуатационная масса машины, кг; g — ускорение силы тяжести, м/с2.
Для машин, агрегатируемых с тракторами, необходимо также учитывать затраты энергии на деформацию почвы ходовыми органами трактора: Ar=104f MTecVPMTgSn/BM, (2.3) где fT— коэффициент сопротивления перекатыванию трактора; гмт— механический КПД ходовых органов трактора; Мт — эксплуатационная масса трактора, кг.
Удельная энергоемкость определится по выражению: Ауд=104Vp[KEK(3ndn+g8c(fMr)MxmM+fTrMTmT)], (2.4) где рп=вп/Вм — коэффициент, учитывающий обрабатываемую площадь поля; тм и тТ - соответственно удельная масса машины и трактора на 1 м ширины захвата машины, кг/м.
Выражение Ауд позволяет с достаточной точностью определять величину удельной энергоемкости, затрачиваемом на процессы разрушения почвы рабочими органами машины и деформации ее поверхностного слоя ходовыми органами агрегата при обработке почвы.
Программа экспериментальных исследований
Объектом исследования являлся процесс взаимодействия рыхлитель с почвой во время резания.
Для изучения особенностей процесса резания почвы с разной скоростью применялась маятниковая установка. Ее конструкция позволяла изменять размеры сечения среза, угол и скорость резания, а также с достаточной точностью контролировать эти параметры.
Установка (рис. 3.1) состоит из основания 1, испытуемого материала 2, маятника 6, рамы 5, ручной лебедки 4 и комплекта аппаратуры для измерения скорости резания. Основание представляет собой пространственную раму, сваренную из швеллеров и уголков. В центре основания имеются направляющие, на которых фиксируется металлический поддон 2 с испытываемым образцом почвы. Для удобства монтажа и демонтажа установки с целью использования ее как в лабораторных, так и в полевых условиях основание соединено с рамой посредством хомутов 3.
Несущим элементом установки является рама 5, состоящая из двух трубчатых треугольных ферм, соединенных в нижней части стержнями из уголковой стали. Жесткость верхней части рамы обеспечивается ригелем и валом маятника.
Вал 9 маятника (рис. 3.2) может свободно вращаться в двух подшипниках 8 на раме 1. На одном конце вала размещен датчик скорости поворота, на противоположном — рычажно-кулачковый сбрасывающий механизм. Маятник 2 состоит из двух швеллеров, соединенных между собой накладками. В верхней части к швеллерам приварены разъемные головки, которые дают возможность с помощью призматических шпонок жестко крепить маятник на валу. В нижней части маятника находится узел динамометрирования.
В поднятом положении маятник удерживается храповым устройством, состоящим из храпового колеса 6, свободно посаженного на вал маятника, и собачки 7, поджимаемой к храповику пружиной. Соединяется храповое ко
лесо с валом с помощью кулачковой муфты 5, одна из полумуфт которой закреплена на валу скользящей шпонкой.
Для освобождения маятника служит рычажно-кулачковый сбрасывающий механизм 3, посредством которого перемещается подвижная полумуфта. Соединение полумуфт осуществляется возвратной пружиной 4.
Ручная лебедка установки служит для перемещения маятника со скоростью около 0,1 м/с. Это позволяет измерять усилие и энергоемкость резания при медленном движении ножа для сопоставления с характеристиками скоростного процесса. Кроме того, ручная лебедка используется при тарировке электроизмерительной аппаратуры. Лебедка рассчитана на тяговое усилие до 5 кН и состоит из корпуса, барабана, зубчатой цилиндрической пары, стального каната с крюком и приводной рукоятки. Крепится лебедка к раме установки четырьмя болтами.
В нижней части маятника находится узел динамометрирования. В исследованиях применялись узлы динамометрирования двух типов - с тремя тензометрическими балочками и консольного типа. Основной частью первого из них являются тензометрические балочки, прикрепленные хомутами к швеллерам маятника. Балочки шарнирно присоединяются с помощью тяг к ножедержателю. Наличие большого числа шарниров в узле динамометрирования уменьшало точность измерений, поэтому система с тремя тензометрическими балочками применялась в первых опытах, а в дальнейшем была заменена узлом консольного типа.
Основу системы консольного типа (рис. 3.3) составляет четырехгранная балка 4 с режущим элементом 5 на конце. Балка верхним концом входит в квадратное отверстие, образованное пластинами 2, которые приварены внутри маятника 1. Относительно маятника балка фиксируется силами трения, возникающими вследствие затяжки двух винтов 3. В верхней части балки посредством винта крепится стрелка, показывающая на линейке значение радиуса резания. Винт стрелки в то же время является предохранительным звеном, предотвращающим аварийное движение балки под действием центробежных сил.
На балку 4 в двух местах наклеены две пары датчиков 6 касательной составляющей силы, действующей режущий инструмент. Кроме того, еще в одном сечении балки наклеена пара датчиков, измеряющих нормальную составляющую.
В комплект измерительной аппаратуры входят приборы электрического измерения напряжений в консольной балке. Схема осциллографирования усилия и скорости резания показана на рис. 3.4. Для замера касательной составляющей используются датчики 1, 2, 7, 8, нормальная составляющая измеряется датчиками 3-6. Усилитель 11 снабжается током от сети напряжением 220 В через блок питания 10. Регистрация усилий и скорости резания производится магнитоэлектрическим осциллографом 14. Питание его осуществляется через выпрямитель 13 постоянным током напряжением 24 В. Чувствительность гальванометров осциллографа регулируется блоком сопротивлений 12.
Изменения плотности почвы после прохода серийного и комбинированного почвообрабатывающих агрегатов
Для определения эффективности использования почвообрабатывающего агрегата сочетающего в себе отвальную обработку верхнего слоя почвы с последующим рыхлением нижнего слоя (экспериментальный агрегат), были проведены исследования по влиянию рабочего органа на плотность почвы после прохода серийного и экспериментального агрегатов. В качестве серийного агрегата был использован отвальный плуг ПБУ-8-40. Серийный и экспериментальные агрегаты агрегатировались с трактором тягового класса 5 К-701.
Оценка плотности выполняется по объемной массе скелета почвы, то есть по плотности приведенной к нулевой влажности.
Результаты экспериментальных исследований по определению влияния экспериментального и серийного рабочих органов на плотность почвы (табл. 4.5., рис. 4.8, 4.9, 4.10.) показали, что плотность почвы после прохождения экспериментального агрегата ниже, чем у серийного.
Анализируя полученные данные можно заметить, что плотность почвы после прохода серийного агрегата выше по сравнению с и экспериментальным агрегатом во всех исследуемых горизонтах. Было установлено, что после прохождения экспериментального агрегата плотность почвы снизилась по сравнению с серийным агрегатом горизонте 0-10 см в среднем на 5,5 %; в
горизонте 10-20 см на 5,5 %; в горизонте 20-30 см на 4,5 % и в горизонте 30 40 на 4,4 %.
Данные значения указывают на то, что в результате почвообработки разрыхление почвы наиболее благоприятно. Необходимо отметить, что разрыхление почвы в горизонтах расположенных ниже 20 см происходит менее интенсивнее, нежели в верхнем от 0 см до 20 см. После прохода экспериментального агрегата плотность почвы по сравнению с серийным снизилась в горизонте 0-20 см в среднем на 4,5 %; в горизонте 20-40 см на 2,2 %.
Это объясняется тем, что слой 0-10 см имеет большое количество корневых включений и почва менее подвержена разрушению после прохождения серийного агрегата, тогда как дополнительный проход стойки рыхлителя комбинированного почвообрабатывающего агрегата позволяет более качественнее разрыхлять верхний слой почвы.
Необходимо отметить тот факт, что после прохода экспериментального агрегата в местах замера плотности 4 и 7, попадающих на проход рыхлителя, плотность почвы по сравнения с серийным агрегатом снизилась в среднем на 10,6 %. При этом объем разрыхленной почвы очень велик, о чем свидетельствуют графические зависимости представленные на рис. 4.8, 4.9 и 4.10. На них наглядно видно падение плотности почвы в замерах 4 и 7, а так же каков объем данного снижения, так как расстояние между замерами составляет 10 см.
Результат полученных закономерностей объясняется тем, что после прохода экспериментального агрегата процесс отвальной обработки почвы и ее рыхления производятся независимо друг от друга. При этом отвальная обработка осуществляется на глубину до 10 см. Здесь происходит полный оборот задернованного плодородного пласта, а затем производится рыхление на глубину с 10 см до 30 см. Рыхлитель идущий вслед за лемехом производит рыхление по всему объему почвы. При данной почвообработке не происходит перемешивание плодородного слоя почвы с менее плодородным, тем самым почва не истощается в результате смешивания. Это обстоятельство по зволяет повысить плодородие почвы. Кроме этого плотность почвы по всем горизонтам остается оптимальной для роста растений и проникновения их корневой системы в нижние слои почвы.
Одним из основных показателей влияющих на всхожесть сельскохозяйственных культур является твердость почвы. При экспериментальных исследованиях твердость почвы замеряли одновременно с определением плотности в тех же места. Полученные результаты изменения твердости почвы в четырех горизонтах представлены в таблице 4.6 и на рис. 4.11, 4.12 и 4.13
