Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 8
1.1. Агротехнические требования к культиваторам для предпосевной обработки почвы 8
1.2. Обзор конструкций культиваторов для предпосевной обработки почвы 9
1.3. Перспективы разработки конструктивных схем культиваторов с учетом физико-механических свойств почвы 22
1.4. Процесс деформации почвы ударом. Теория удара в проектировании почвообрабатывающих машин 31
Выводы по главе 35
2. Теоретическое обоснование параметров ударных рабочих органов комбинированной машины для поверхностной обработки почвы 36
2.1. Основные задачи теоретических исследований 36
2.2. Обоснование кинематических и конструктивных параметров ударных рабочих органов 2.2.1. Обоснование формы ударного рабочего органа 37
2.2.2. Обоснование минимальной частоты вращения ударного механизма.. 37
2.2.3. Обоснование количества и радиуса гибких ударных элементов активного рабочего органа 39
2.2.4. Исследование кинематики ударного механизма в абсолютном движении 42
2.2.5. Сила удара на разных режимах работы ударного механизма 48
Выводы по главе 51
3. Методика экспериментальных исследований 53
3.1. Задача и программа экспериментальных исследований 53
3.2. Методика экспериментальных исследований 54
3.2.1. Экспериментальная установка 54
3.2.2. Место проведения опытов и определение физико-механических свойств почвы 57
3.2.3. Основные элементы методики полевого опыта 60
3.2.4. Методика обработки экспериментальных данных 62
3.2.5. Методика оценки энергетических показателей работы экспериментальной установки 62
4. Результаты экспериментальных исследований 65
4.1. Результаты предварительных испытаний культиватора с активными рабочими органами 65
4.2. Влияние ударного рабочего органа на физические свойства почвы: структуру и плотность сложения почв 67
4.3. Влияние различных способов обработки на засоренность 71
4.4. Экспериментальное обоснование оптимального режима работы ударного рабочего органа 78
4.5. Влияние обработки почвы на всхожесть, развитие и урожайность сельскохозяйственных культур 82
4.6. Сравнительная оценка различных способов обработки 87
4.7. Оценка энергетических показателей работы культиватора с активными рабочими органами 89
Выводы по главе 90
5. Экономическая эффективность культиватора с комбинированными рабочими органами 93
5.1. Общие положения 93
5.2. Определение основных технико-экономических показателей культиватора с комбинированными рабочими органами 95
5.3. Сравнительная экономическая оценка вариантов поверхностной обработки почвы 99
Выводы по главе 102
Выводы по диссертации 103
Рекомендации 105
Литература 106
Приложения 116
- Перспективы разработки конструктивных схем культиваторов с учетом физико-механических свойств почвы
- Место проведения опытов и определение физико-механических свойств почвы
- Влияние различных способов обработки на засоренность
- Сравнительная экономическая оценка вариантов поверхностной обработки почвы
Перспективы разработки конструктивных схем культиваторов с учетом физико-механических свойств почвы
Интерес к вопросу воздействия механических средств на почву и окружающую среду возник в нашей стране в 20-е годы XX века, когда началось массовое приобретение зарубежных машин для использования в сельском хозяйстве. В эти годы известными почвоведами Н.А. Качинским и М.Х. Пигулев-ским [44, 55, 80] впервые были начаты исследования по оценке воздействия тракторов на почву, которые показали, что движители машин существенно изменяют ее структуру и физические свойства в целом.
К основным физическим свойствам почв относятся плотность, структурное состояние, твердость, пористость. Исследования А.С. Кушнарева, Г.Г. Данилова, П.Н. Бурченко, П.У. Бахтина, И.Б. Ревута [5, 12, 14, 32, 58, 59, 90] показывают, что структура и плотность сложения почвы являются основными параметрами физико-механических свойств почвы, которые оказывают решающее влияние на урожай сельскохозяйственных культур.
В настоящее время ведутся исследования по более глубокому изучению подготовки почвы к посеву сельскохозяйственных культур с учетом требований растений к структурному составу почвенных агрегатов и плотности сложения посевного и подпосевного слоев почвы [60, 68, 69, 104].
Плотность почвы является одним из важнейших свойств почвы и определяется как природными факторами, так и характером антропогенного воздействия - в первую очередь системой обработки почвы, севооборотом и системой удобрений. В значительной степени она определяется свойствами почвообразующей породы, соотношением механических элементов почвы, степенью их агрегатности, плотностью самих структурных агрегатов и их взаимным расположением.
Исследованиями установлено [72, 100, 104], что продуктивность полевых культур снижается как при переуплотнении, вследствие ухудшения качества выполняемых операций по обработке почвы и ухудшения аэрации в зоне развития корневой системы растения, так и при излишнем рыхлении за счет потерь почвенной влаги через диффузное испарение, уменьшения объемной концентрации питательных веществ, ухудшения контакта между почвой и семенами и недружных всходов, повреждения корневой системы растений при оседании почвы.
Установлено, что диапазон оптимальной плотности для большинства зерновых культур и трав определяется значениями 1,1... 1,3 г/см3, для картофеля -1,0... 1,2 г/см . Почва при такой плотности имеет наилучший водный, воздушный, тепловой и питательный режимы, в ней наиболее активно происходят микробиологические процессы. Снижение плотности уменьшает содержание влаги и элементов питания в единице объема почвы, ухудшает всхожесть семян. Повышение плотности ограничивает развитие корневой системы, резко уменьшает доступность влаги и обеспеченность воздухом. Плотность в 1,6... 1,8 г/см является критической, при которой рост и развитие растений прекращаются.
Структура почвы также имеет большое значение для развития растений и, являясь динамичным показателем, разрушается и восстанавливается под влиянием различных факторов, например, таких как обработка почвы, давление ходовых систем машин и орудий, под ударами капель дождя происходит механическое разрушение структуры. Поэтому выбор способов обработки и ее минимизация являются важными вопросами в экологически ориентированном земледелии. В агрономическом смысле почва считается структурной, если комко 24 вато-зернистые почвенные агрегаты размером от 0,25 до 20 мм составляют более 50%, а почвенных агрегатов размером менее 0,25 мм не более 15%. Отношение суммы агрономически ценных фракций от 0,25 до 10 мм к фракции более 10 мм и распыленной части (менее 0,25 мм) характеризуется как коэффициент структурности [40, 62, 69, 90].
Проведенные исследования [11, 68, 69, 71] позволяют утверждать, что посевной слой почвы должен иметь соответствующее сложение для каждой культуры. Доказано, что для зерновых культур оптимальный структурный состав требуется дифференцировать в поверхностном и семенном слоях, а плотность сложения - в поверхностном, надсеменном, подсеменном и подпахотном слоях.
По данным В.В. Медведева [69] дифференциация структурного состава и плотности по глубине посевного слоя должна выглядеть следующим образом: в поверхностном слое должны преобладать агрегаты от 5 до 20 мм, а в посевном от 0,25 до 5 мм; надсеменная прослойка должна быть умеренно уплотненной 1,2... 1,3 г/см ; семенной и подсеменной слои должны иметь плотность 1,1... 1,2 г/см , а плотность поверхностного и подпосевного слоев не выше 1,3 г/см и не ниже 1,0 г/см .
В работе Медведева В.В., Слабодюга П.И, Пащенко В.Ф. [68] на обыкновенных черноземах установлена относительно высокая устойчивость заданного перед посевом диапазона значений структурного состава и плотности почвы в обработанном слое. Благоприятный структурный состав в семенном слое (под защитой крупнокомковатого поверхностного) и плотность на среднем или высоком уровне поддерживаются с незначительными изменениями в течение почти всего периода вегетации культур.
Создание таких условий, а именно выровненной поверхности, мелкокомковатой структуры и оптимальной плотности в особенности актуально при посеве мелкосемянных культур, требующих незначительной глубины заделки. Причем, такие условия должны быть созданы на любых типах почв, в том числе и на почвах тяжелых по механическому составу, как гарантия получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур.
Структура и плотность сложения почв близка к оптимальной при обработке почв в состоянии физической спелости. Физическая спелость почвы определяется ее влажностью. По мере утяжеления механического состава интервал оптимальной влажности сужается. У почв легкого механического состава он равен 40...70%, а тяжелых - 50...60% полной влагоемкости почвы. Кроме того, период оптимальной спелости почвы настолько непродолжителен, что за это время невозможно выполнить весь объем полевых работ [32, 87].
Зачастую в период предпосевной обработки в поверхностном слое почва находится в сухом состоянии и обладает значительной твердостью. При снижении влажности поверхностные силы связывают агрегаты друг с другом, и почва при воздействии рабочих органов не крошится, а. ломается, образуя глыбы с большим количеством пыли.
Почвы тяжелого механического состава (тяжелосуглинистые, среднесуг-линистые, солонцовые) распространены повсеместно. Так в СХП «Красноармейское» Красноармейского района Челябинской области они занимают более половины общей площади и на таких почвах труднее всего добиться качества обработки. Эта трудность определяется неблагоприятными физико-механическими свойствами этих почв. Они имеют слабую водопроницаемость, во влажном состоянии склонны к заплыванию, при высыхании образуют плотную корку на поверхности и крупные глыбы в пахотном слое. В результате при обработке таких почв наблюдается повышенная глыбистость. И как следствие, интенсивная потеря влаги, неравномерная заделка семян, изреженность всходов.
Серийные машины для предпосевной обработки, применяемые на зональных почвах, обеспечивают удовлетворительное качество обработки при физической спелости почв. Доведение же почв тяжелого механического состава до оптимальных показателей качества сопряжено с многократными проходами агрегатов по полю, что способствует, как уже отмечалось выше, нежелательному уплотнению почвы колесами тракторов и сельскохозяйственных машин [35, 55], разрушению ее структуры в поверхностном слое и самое главное, приводит к снижению плодородия почвы.
В связи с этим возникает необходимость поиска возможности устранения возникшей сложности в обработке сухих тяжелых по механическому составу почв.
Один из путей снижения влияния этих факторов на состояние плодородного слоя почвы - применение комбинированных почвообрабатывающих машин и агрегатов. Работы этого направления широко ведутся как у нас в стране, так и за рубежом. [12, 46, 48, 61, 64, 65, 101]. Основной особенностью применения таких машин является сокращение проходов агрегатов со всеми вытекающими благоприятными последствиями.
В работах И.М. Бартенева [2], М.Д. Подскребко [82], И.М. Панова [76] и других авторов для обработки сухих и твердых почв предлагается создавать комбинированные машины, которые имеют пассивные и активные элементы.
Исследования, проведенные авторами [106] показывают, что почвообрабатывающие машины с активно-пассивными рабочими органами обладают меньшим удельным тяговым сопротивлением по сравнению с машинами, имеющими только пассивные рабочие органы, и устойчиво сохраняют установленную глубину обработки при высоком качестве крошения почвы.
Место проведения опытов и определение физико-механических свойств почвы
Экспериментальные исследования проводились на учебно-опытном поле института Агроэкологии филиала ЧГАУ и полях ОАО СХП «Красноармейское» Красноармейского района. Почвенный покров представлен черноземом выщелоченным, среднемощным, среднесуглинистым. Агрофон- отвальная зябь, ранневесеннее закрытие влаги боронами БЗСС-1,0 в два следа и пары после перепашки.
Перед проведением опытов на выбранном участке проводилось определение влажности, плотности и твердости почвы согласно ГОСТу 20915-75 [97]. Кроме того, определялся такой параметр, как выровненность поля. Методика определения этих показателей приведена ниже.
Влажность почвы - показатель, характеризующий содержание влаги в почве; ее выражают в процентах.
Пробы почвы для определения влажности брались специальным игольчатым буром на горизонтах 0-10 см и 10-20 см в трехкратной повторности по диагонали участка. Почва помещалась в специальные алюминиевые стаканчики. Пробы с почвой взвешивались, а затем высушивались в сушильном шкафу при температуре 105С в течение 6 часов.
Абсолютная влажность почвы определялась по формуле: где: В - масса алюминиевого стаканчика, г Ві - масса стаканчика с почвой до сушки, г В2 - масса стаканчика с сухой почвой, г.
Твердость — свойство почвы в естественном сложении сопротивляться вертикальному внедрению деформатора.
Твердость почвы определялась в местах определения влажности твердомером системы Ревякина [96], действие которого основано на внедрении в почву металлического наконечника с площадью основания 3,14 см2. Жесткость пружины твердомера равнялась 1,07 кг/см.
Средняя величина твердости почвы определялась по выражению:
где: h - величина деформации пружины или средняя ордината диаграммы твердомера в см;
к - жесткость пружины, кг/см;
S - площадь основания наконечника, см2;
п - количество замеров.
Плотность характеризуется массой 1 см абсолютно сухой почвы в ее естественном сложении. Ее выражают в г/см . Для определения плотности использовались почвенные цилиндры-буры. После того как пробы взяты, взвешивают цилиндр с почвой и ставят на насыщение водой для определения капиллярной влагоемкости.
Плотность почвы вычисляют по формуле где: шв - масса влажной почвы, г; В0 - влажность почвы, % V -объем цилиндра, см3. Пробы брались в трехкратной повторности из горизонтов 0-10 и 10-20 см.
Выровненностъ один из важнейших показателей качества обработки почвы. Определяется она провешиванием шнура на определенной высоте от поверхности поля поперек движения агрегата. Замеры расстояния от поверхности поля до шнура проводились через каждые 10 см по всей ширине захвата машины.
По полученным данным определяется среднеквадратическое отклонение: где: X; - результаты измерений; Хср - среднее значение; п - число замеров.
Сравнивались значения до и после прохода почвообрабатывающих агрегатов. Замеры делались в трехкратной повторности.
После обработки почвы экспериментальной установкой определялись структурный состав, выровненность и глыбистость почвы
Структурный состав почвы определяется методом сухого агрегатного анализа по методу Н.И. Савинова [33, 97], путем просеивания не менее 2,5 кг почвы, отобранной из слоя толщиной, равной глубине хода рабочих органов машины, через набор сит с диаметрами отверстий -10, 7, 5, 3, 2 и 1 мм без встряхиваний, наклоняя их в разные стороны, постепенно снимая одно за другим, по мере прохода через каждое сито всех мелких почвенных агрегатов. Когда вся проба просеяна и разделена на фракции их взвешивают и рассчитывают процентное содержание каждой фракции. Комки свыше 10 мм с верхнего решета распределяют вручную.
По величине комков (агрегатному составу) почву делят на следующие фракции, мм
Глыбистость характеризует наличие на единице площади почвенных агрегатов размером более 50 мм. Определялся данный показатель наложением на поверхность поля рамки площадью 1 м2 не менее, чем в десяти местах по диагонали участка. Согласно агротехническим требованиям таких почвенных комков должно быть не более 5 штук.
Влияние различных способов обработки на засоренность
Одним из важных показателей эффективности предпосевной обработки почвы является ее влияние на засоренность и степень уничтожения сорняков. Процесс воздействия рабочих органов машин предпосевной обработки на состояние сорной растительности оценивался со следующих позиций: сколько сорняков подрезано, сколько засыпано почвой, и сколько сорняков находится на поверхности. В результате исследований установлено, что те сорняки, которые выносятся на поверхность почвы завядают и процент их приживляемости практически равен нулю, засыпанные почвой сорняки тоже практически полностью погибают.
С целью оценки влияния различных способов предпосевной подготовки почвы на засоренность были заложены следующие варианты опытов: культивация, культивация с боронованием, боронование в два следа и культивация экспериментальной установкой.
Перед проходом агрегатов на зафиксированных площадках было подсчитано количество и определен видовой состав сорняков (табл. 4).
Всего же в посевах зарегистрировано 23 вида сорных растений, но наиболее высокие показатели обилия и встречаемости отмечены у мари белой, щирицы запрокинутой, пикульника обыкновенного, про.са сорного, ежовника, горца шероховатого, осота полевого, бодяка полевого.
Результаты воздействия рабочих органов машин поверхностной обработки на состояние сорняков показаны в таблице 5.
Так после двукратного боронования 18% малолетних сорняков было вырвано и 35% засыпано почвой. Начавшие отрастать, ко времени обработки почвы, корнеотпрысковые сорняки остались практически не поврежденными рабочими органами борон.
Культивацией без боронования все сорняки были подрезаны, однако корневая система большинства (71 %) всходов малолетних сорняков закреплялась в не разрушенных комочках почвы, которые в процессе обработки лишь сместились стойками лап культиватора. Корнеотпрысковые сорняки были подрезаны и некоторые из них (12 %) извлечены на поверхность почвы.
При культивации с боронованием отмечено полное подрезание сорняков. Большинство корнеотпрысковых сорняков (21%) зубьями борон были извлечены на поверхность почвы. Комки, образовавшиеся после культивации, были разрушены зубьями борон, при этом основная часть малолетних сорняков была вырвана или засыпана почвой (40%).
При работе культиватора с активными рабочими органами наблюдалось (табл. 5) полное подрезание сорняков и вынос их на поверхность в значительно большей степени, чем при работе стрельчатых лап и зубовой бороны (рис. 25 и 26). До 50% всходов сорняков имели повреждения от ударного воздействия. Через 10 дней после посева (см. табл. 5) на варианте с двукратным боронованием отмечена самая высокая засоренность. Среди сорняков преобладали корнеотпрысковые и зимующие.
В варианте культивация без боронования преобладали ранние яровые сорняки, некоторые из них вновь укоренились после предпосевной обработки. По общему количеству сорняков этот вариант незначительно уступал боронованию.
Самая низкая засоренность отмечена после обработки установкой с активными рабочими органами. По количеству корнеотпрысковых сорняков этот вариант не отличался от культивации с боронованием, а малолетних сорняков на культивации с боронованием было на 12% больше.
Отмеченные тенденции в различиях по степени и типу засоренности на вариантах опыта сохранялись в течение всего вегетационного периода (табл. 6).
Выполненные исследования свидетельствуют о том, что применение установки с активными рабочими органами обеспечивает более качественное проведение предпосевной обработки почвы и способствует снижению засоренности посевов.
Сравнительная экономическая оценка вариантов поверхностной обработки почвы
Совершенствование техники служит материальной основой достижения экономического эффекта, который представляет собой экономию совокупного общественного труда.
Экономический эффект при внедрении новой техники, согласно типовой методике [103] определяется путем расчета частных и общих показателей сравнительной эффективности капитальных вложений.
Сравнительная экономическая эффективность капитальных вложений рассматривается при сопоставлении традиционного и проектируемого вариантов новой техники по подготовке почвы к посеву мелкосеменных культур на основе внедрения (табл. 17).
Первоначально рассчитываются частные показатели, выражающие величину экономии на отдельных элементах затрат общественного труда, обусловленных производством продукции. К их числу относятся:
- снижение трудоёмкости продукции или рост производительности труда;
- высвобождение работающих;
- снижение материалоемкости и энергоемкости продукции.
Общий показатель сравнительной эффективности капитальных вложений суммирует экономию затрат живого и прошлого труда. В качестве общего экономического эффекта обычно применяется [88] экономия на приведенных затратах (ЛСпз), определяемая как разность, произведенных затрат, обусловленных производством продукции по базовому и новому вариантам: АСпз = Спзі - От
Приведенные затраты по каждому варианту представляют собой сумму текущих производственных затрат и капитальных вложений, приведенных к одинаковой размерности в соответствии с нормативом эффективности [47] и рассчитывается по формуле:
Спз= Q + Ен К; где: СІ - текущие затраты (цеховая себертоимость) по і-тому варианту, руб; Kj - капитальные вложения по і-тому варианту, руб; Ен - нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитальных вложений (в целом для сельского хозяйства установлен на уровне 0Д2) [47].
Данные для расчетов взяты из технологических карт по возделыванию проса по традиционной и проектируемой технологиям и сводной ведомости (прил. 18), составленной на основе данных технологических карт.
Рассматриваемые варианты поверхностной обработки почвы незначительно отличаются по трудоемкости и по капитальным вложениям. Поэтому годовой экономический эффект определяется как экономия приведенных затрат.
Произведенные расчеты показали, что внедрение новой техники (комбинированной машины с активными рабочими органами ударного действия для поверхностной обработки почвы) обеспечивает рост производительности труда до 28%, при росте объема производства на 70 т в расчете на 100 га (36,8 %), а также снижение цеховой себестоимости на 21 %. При этом требуются меньшие удельные капитальные вложения на 31 %.
Общий экономический эффект, как экономия приведенных затрат, в расчете на 1 га составит более 980,00 руб.
Предлагаемая методика расчета позволяет уменьшить трудоемкость расчетов экономической эффективности новой технологии и ускорить ее внедрение в производство.
Из всего выше сказанного следует, что совершенствование отдельных технологических приемов, связанных с повышением качества обработки почвы, является одним из важнейших и актуальных направлений повышения эффективности производства сельскохозяйственных культур (в особенности мелко-семянных), так как эти приемы не требуют дополнительных затрат, способствуют росту урожайности, росту качества продукции и снижению ее себестоимости.
