Содержание к диссертации
Введение
1.Состояние вопроса. Цель и задачи исследований 9
1.1. Обработка почвы на склоновых землях 9
1.2. Способы отвальной обработки почвы на склонах и технические средства для их осуществления 11
1.3. Перспективы развития технологий и технических средств для обработки склоновых земель 34
1.4. Выводы по разделу 36
1.5. Цель и задачи исследования 37
2. Теоретическое исследование технологического процесса отвальной гребне-кулисной обработки почвы 38
2.1. Конструктивно-технологическая схема противоэрозионного орудия 3 8
2.2. Определение основных конструктивных параметров противоэрозионного орудия 39
2.3. Анализ технологического процесса формирования противоэрозионной кулисы приспособлением при движении агрегата поперек склона .. 42
2.4. Определение тягового сопротивления противоэрозионного орудия... 53
2.5. Выводы по разделу 56
3. Программа и методика экспериментальных исследований 57
3.1. Программа экспериментальных исследований 57
3.2. Лабораторные исследования 58
3.2.1.Исследование физико-механических свойств гребне-стерневой кулисы 58
3.3. Лабораторно-полевые исследования 60
3.3.1. Объекты, оборудование и условия проведения исследований 60
3.3.2. Устройство и технологический процесс, выполняемый лаборатор-но-полевой установкой с противоэрозионным приспособлением 63
3.3.3. Методика проведения лабораторно-полевых исследований 67
3.3.4. Исследование влияния типа дисков и угла их наклона а в вертикальной плоскости на полноту использования пожнивных остатков Qc... 69
3.3.5. Исследование влияния угла атаки Р дисковых органов и поперечного уклона поля у на полноту использования пожнивных остатков Qc и почвы Qn 71
3.3.6. Исследование влияния шага t между дисковыми органами и поперечного уклона поля у на полноту использования пожнивных остатков 71
3.4. Методика производственных испытаний плуга ПЛН-5-35 с противоэрозионным приспособлением и его технико-экономическая оценка... 73
3.4.1. Определение агротехнических показателей работы плуга ПЛН-5-35 противоэрозионным приспособлением 74
3.4.2. Определение энергетических показателей плуга с противоэрозионным приспособлением 76
3.4.3. Эксплуатационно-технологическая оценка работы плуга с противоэрозионным дисковым приспособлением 79
3.4.4. Определение высоты снежного покрова, стока талых вод и смыва почвы 80
3.4.5. Определение урожайности сельскохозяйственных культур 80
3.5. Методика обработки результатов исследований 81
4. Результаты экспериментальных исследований 82
4.1. Результаты лабораторных исследований по определению физико-механических свойств гребне-стерневой кулисы 82
4.2. Результаты лабораторно-полевых исследований плуга с противоэрозионным дисковым приспособлением 84
4.2.1. Влияние типа дисков и угла их наклона а в вертикальной плоскости на полноту использования пожнивных остатков Qc 84
4.2.2. Влияние угла атаки |3 дисковых органов и поперечного уклона поля у на полноту использования пожнивных остатков Qc и почвы Qn 86
4.2.3. Влияние шага t между дисковыми органами и поперечного уклона поля у на полноту использования пожнивных остатков Qc и почвы Qn... 87
4.2.4. Исследование влияния поступательной скорости движения V агрегата на энергетические и эксплуатационно-технологические показатели 89
4.3. Выводы по разделу 91
5. Результаты производственных испытаний плуга ПЛН-5-35 с противоэрозионным приспособлением и его технико-экономическая оценк а 92
5.1. Агротехнические показатели работы плуга ПЛН-5-35 с противоэрозионным приспособлением ПГО-1,75 92
5.2. Эксплуатационно-технологические показатели плуга ПЛН-5-35 с противоэрозионным приспособлением ПГО-1,75 97
5.3. Оценка надёжности плуга с приспособлением ПГО-1,75 99
5.4 Противоэрозионная эффективность отвальной гребне-кулисной обработки почвы и влияние на урожайность возделываемых культур 99
5.5. Экономическая эффективность применения плуга ПЛН-5-35 с противоэрозионным приспособлением ПГО-1,75 101
Общие выводы 104
Список литературы 106
Приложения 117
- Обработка почвы на склоновых землях
- Анализ технологического процесса формирования противоэрозионной кулисы приспособлением при движении агрегата поперек склона
- Устройство и технологический процесс, выполняемый лаборатор-но-полевой установкой с противоэрозионным приспособлением
- Исследование влияния шага t между дисковыми органами и поперечного уклона поля у на полноту использования пожнивных остатков
Введение к работе
Водная эрозия возникает на склонах под действием поверхностного стока, проявляясь в виде смыва плодородного верхнего слоя почвы или размыва в глубину. Сток формируется в период весеннего снеготаяния или при выпадении ливневых осадков [1,2,3,4].
Водная эрозия причиняет огромный, часто непоправимый ущерб сельскому хозяйству. Почва, как главное средство сельскохозяйственного производства, разрушается под действием эрозии, что ставит под угрозу саму возможность ведения земледелия в целых районах. Уменьшается плодородие обрабатываемых почв, за счет чего происходит снижение урожайности возделываемых культур. На эрозионно-опасных землях возникает необходимость усиления направленности на почвозащитное земледелие, за счет дифференцированного применения системы противоэрозионных мер, сохранения и воспроизводства плодородия почв, рационального использования земли [1,5,6,7].
В защите от стока талых вод особенно нуждается зябь. Смыв плодородного слоя почвы здесь может достигать 50-120 тонн с гектара, а это соответствует 4-10 мм. Для естественного образования такого слоя почвы в степи требуется более 100-300 лет. Борьба с эрозией почв должна осуществляться на основе полного комплекса противоэрозионных мероприятий. Самыми доступными и эффективными в борьбе с эрозией почв являются агротехнические приемы. Среди агротехнических приемов большое значение имеет обработка почвы. Неправильная обработка склоновых земель может не только не препятствовать эрозии, но и наоборот усилить эрозионные процессы. Поэтому непрерывно ведется работа по повышению противоэрозионной эффективности основной обработки почвы на склонах и внедрению эффективных почвозащитных мероприятий в различных почвенно-климатических зонах [1,8,9,10,11,12,13].
В Саратовской области до 80% сельскохозяйственных площадей размещены на склонах крутизной более 1, крутизна некоторых достигает 8. При этом, ежегодный прирост площадей под оврагами, вследствие эрозионной деятельности, составляет более 400 га. Здесь 45% пашни расположено на землях крутизной до 1, 43% - на склонах 1-3, 10% - на склонах 3-5 и 2% - более 5. В зоне совместного проявления водной и ветровой эрозии 50% пахотных земель расположено на склонах, из них с крутизной от 1 до 3 - 38%, с крутизной от 3 до 5 - 9%, более 5 - 3% [1,3,8,14].
На данный период имеется немало разработанных технологий противо-эрозионной обработки склоновых земель. Но, большинство из них являются высокозатратными, энергоемкими, технически трудно осуществимыми. Существующие и разрабатываемые технические средства для противоэрозионной обработки почвы являются или энергоемкими, или технологически ненадежными, или противоэрозионная эффективность их применения во многом зависит от погодно-климатических условий. Многообразие исследований и технических решений по конструкциям орудий и приспособлений для противоэрозионной обработки склоновых земель свидетельствует об их актуальности.
Для повышения эффективности почвозащитных обработок необходимы новые технологии, а также технологически надежные и энергосберегающие почвообрабатывающие орудия и приспособления для их осуществления. В связи с этим большой научный интерес представляет почвозащитная технология обработки склоновых земель, разработанная в НИИСХ Юго-Востока [15]. Выполнение данной технологии требует технического решения.
В настоящей работе предлагается повысить противоэрозионную эффективность основной обработки почвы, выполняемой на склоновых землях, при помощи дискового приспособления к отвальному плугу. В связи с этим, обоснование конструктивных и технологических параметров приспособления, является актуальной задачей, решение которой имеет важное хозяйственное значение.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Анализ почвозащитных технологий обработки склоновых земель, орудий и приспособлений для их выполнения;
Конструктивно-технологическая схема противоэрозионного орудия для отвальной гребне-кулисной обработки почвы;
Результаты теоретических исследований технологического процесса отвальной гребне-кулисной обработки почвы на склонах, полученные аналитические выражения для определения основных конструктивных параметров противоэрозионного орудия и его тягового сопротивления;
Результаты лабораторно-полевых исследований и полученные экспериментальные зависимости для обоснования оптимальных конструктивно-технологических параметров противоэрозионного орудия для отвальной гребне-кулисной обработки почвы;
Технико-экономическая оценка противоэрозионного орудия.
Обработка почвы на склоновых землях
Борьба с водной эрозией на склонах будет наиболее оптимальной только в том случае, если используется весь комплекс мероприятий. В него входят организационно-хозяйственные, агротехнические, лесомелиоративные и гидротехнические меры. Из комплекса противоэрозионных мероприятий наиболее доступными являются агротехнические, они проводятся совместно с полевыми сельскохозяйственными работами. Среди агротехнических противоэрозионных мероприятий большое значение имеет рациональная обработка почвы [1,3,8.16,17,18,19].
В равнинных условиях правильная обработка почвы улучшает ее водно-воздушный, тепловой и питательный режимы. Улучшается структурное состояние пахотного слоя, уничтожаются сорные растения и вредители сельскохозяйственных культур [8,20,21,22]. На склоновых полях обработка почвы, дополнительно помимо вышеизложенного, должна предотвращать сток талых и ливневых вод, смыв плодородного слоя почвы [3,16,23]. Одним их основных агротехнических мероприятий по борьбе с водной эрозией является зяблевая обработка почвы. Традиционной и наиболее распространенной является отвальная зяблевая вспашка. Выполняется она лемешными плугами [3,20,21,24]. Лемешно-отвальные плуги предназначены для вспашки почв с удельным сопротивлением до 0,1 МПа, на глубину от 18 до 30 см, с оборотом пахотного пласта. Плуги должны работать на почвах с различными физико-механическими свойствами, твердостью до 4 МПа и влажностью до 28%. Подрезание пожнивных остатков и сорняков должно быть полным. Пожнивные остатки и сорные растения должны быть полностью заделаны на глубину не менее 12-15 см от поверхности пашни, при глубине обработки 22-30 см. Рабо 10 чиє органы должны обернуть обрабатываемый пласт и раскрошить его. Количество почвенных фракций размером до 5 см в пахотном слое должно быть не менее 75%. Отклонение от глубины обработки ±2 см, отклонение от ширины захвата ±10%. Средняя высота гребней не должна превышать 5 см [25,26,27,28,29].
На земельных угодьях подверженных водной эрозии отвальная обработка выполняется поперек склона. При этом каждые гребень и борозда препятствуют стоку воды. Вспашка вдоль склона является агротехническим браком. Так на отвальной вспашке вдоль склона, по сравнению с поперечной, сток увеличивается с 16,3 до 33,0 мм, а смыв с 6,2 до 66,8 м3/га. При весеннем снеготаянии, величина смыва с зяби, вспаханной поперек пологих склонов, в среднем в 2-3 раза меньше смыва с зяби, вспаханной вдоль склонов [8].
Вспашка поперек склона может быть менее эффективна, если на поле имеются участки с разным направлением уклонов. Такие склоны обрабатывают по горизонталям. Для этого на трактор устанавливают специальный прибор - кренодифферентометр. При вспашке тракторист должен следить за стрелкой прибора и при ее отклонении поворачивать трактор в определенном направлении. При вспашке по горизонталям на сложных склонах нередко образуются огрехи. Поэтому поля, имеющие склоны различных направлений, разбивают на части и каждую часть обрабатывают индивидуально. Но данная обработка требует проведения дополнительных водорегулирующих приемов, особенно на склонах с крутизной более 2 и при достаточной их протяженности. [3,16,30,31,32].
Эффективными средством борьбы с водной эрозией на склонах являются дополнительные приемы, выполняемые одновременно с обработкой почвы. Такие приемы выполняются плугами с приспособлениями, специальными плугами, комбинированными машинами
Анализ технологического процесса формирования противоэрозионной кулисы приспособлением при движении агрегата поперек склона
Согласно конструктивно-технологической схемы противоэрозионного орудия, дисковые рабочие органы подрезают пожнивные остатки и транспортируют их в сторону открытой борозды. При этом подрезанные пожнивные остатки в одном случае транспортируются вверх по склону, в другом случае вниз по склону, так как противоэрозионная обработка проводится на склоновых землях. Перемещение пожнивных остатков и сепарация почвенных частиц происходит за счёт того, что дисковые рабочие органы установлены со смещени-ем - Є, относительно друг друга и на определённом расстоянии -1, обеспечивающим частичное перекрытие.
При движении диска заглублённого в почву на величину - h, происходит выдавливание и смещение почвы лежащей перед дисковым органом вверх и в сторону. Это обеспечивает транспортировку пожнивных остатков дисками и частичную сепарацию почвы в междисковое пространство. При этом дисковый рабочий орган, одновременно участвует в двух движениях: прямолинейном поступательном и вращательном, относительно горизонтальной оси [103,104,105,106,107,108].
Покажем дисковые рабочие органы 1 и 2 (рисунок 2.4), которые движутся со скоростью V, поперёк склона, уклон которого равен /. Рассмотрим частицы почвы Mi и Мг, масса каждой равна т. Частица почвы Mi перемещается дисковым рабочим органом вверх по склону (отрицательный уклон), а частица Мг вниз по склону (положительный уклон).
На перемещаемую частицу почвы Mi действует пространственная система сил, в которой часть сил действует в горизонтальной плоскости, а другая в вертикальной. Обозначим все действующие силы (рисунок 2.4): G - сила тяжести частицы почвы, G=mg, где т- масса частицы почвы, кг; N - нормальная реакция наклонной поверхности поля; N - нормальная реакция металлической поверхности плоского диска; гщ ""сила трения скольжения частицы Мі по поверхности поля, равная: Л#\ где/ - коэффициент трения частицы почвы по поверхности поля; Рисунок 2.4 - Схема сил, действующих на частицу почвы, перемещаемую дисковым рабочим органом по склону Fmp —сила трения бокового скольжения частицы М\ по металлической поверхности диска, равная: тр J N , где f - коэффициент трения частицы почвы по поверхности диска; Г тр сила трения скольжения диска по боковой поверхности частицы Мь появляющаяся в результате вращательного движения диска, равная: Fmp f N , где / - коэффициент трения скольжения диска по боковой поверхности частицы М\. Покажем подвижную прямоугольную систему координат OjXYZ (рисунок 2.4), начало которой возьмём в центре диска (точка 0\). Рассмотрим движение частицы почвы Мь под действием приложенных сил. Абсолютным движением частицы почвы Мь является её скольжение по недеформированной поверхности почвы, лежащей перед движущимся диском, со скоростью оа (оа =0 ), направленной под углом трения ОС к оси Y. Относи COSCC тельным движением частицы М], является её скольжение по боковой поверхности диска по прямой ABC, с относительной скоростью Ц-. Переносным движением частицы М) является её скольжение по поверхности почвы со скоростью V , равной скорости машины и направленной под углом Р к диску. Рассмотрим картину прямолинейного относительного движения частицы почвы Мі по боковой поверхности диска, по прямой АВ с относительной скоростью Л ., под действием приложенных к ней сил.
Устройство и технологический процесс, выполняемый лаборатор-но-полевой установкой с противоэрозионным приспособлением
Для проведения лабораторно-полевых исследований, с целью определения опытным путём оптимальных конструктивных и технологических параметров противоэрозионного приспособления, согласно разработанной схемы, было изготовлено экспериментальное приспособление, которое навешивалось на плуг ПЛН-5-35 с укороченными отвалами на 4 и 5 корпусах (рисунок 3.7). Агрегат за один проход выполнял основную отвальную обработку почвы и одновременно формировал из пожнивных остатков и почвы гребне-стерневую противоэрозионную кулису.
Орудие для противоэрозионной обработки почвы (рисунки 3.7, 3.8 и 3.9) состоит из рамы 1, опорного колеса 2, плужных корпусов 3 и корпусов 4 и 5 с укороченными отвалами, установленными на брусе рамы 1, несущего элемента 6 дисковой батареи, расположенного в поворотных осях 7, под углом А к брусу рамы 1, механизмов поворота 8 несущего элемента 6, при этом на несущем элементе 6 установлены дисковые рабочие органы 9 на стойках 10, шар-нирно соединенных с несущим элементом 6 посредством осей 11. Каждый дисковый рабочий орган 9 имеет механизм, регулирующий глубину обработки почвы, включающий в себя упорную пластину 12, болт с контргайкой 13, а также нажимную штангу 14 с регулировочными отверстиями 15, расположенными в нижней ее части и пружины сжатия 16. Сверху несущего элемента 6 предусмотрены кронштейны 17 крепления нажимной штанги 14. Угол наклона а дисковых рабочих органов 9 в вертикальной плоскости, в сторону противоположную движения агрегата, регулируется механизмами поворота 8 несущего элемента 6.
Лабораторно-полевая установка агрегатировалась трактором класса 3. Предлагаемое орудие для противоэрозионной обработки почвы работает следующим образом. При движении агрегата производится вспашка почвы плужными корпусами 3, 4 и 5, одновременно с этим дисковые рабочие органы 9 подрезают верхний слой почвы и пожнивные остатки, транспортируют подрезанную массу от одного дискового рабочего органа 9 к другому, укладывая ее напротив предпоследнего корпуса 4 с укороченным отвалом. При транспортировке подрезанной массы, происходит частичная сепарация почвы в междисковое пространство за счет колебания дисковых рабочих органов 9 относительно друг друга и ворошения массы. Предпоследний корпус 4 с укороченным отвалом сдвигает уложенную подрезанную массу в открытую 2 Рисунок 3.7 - Схема экспериментальной лабораторно-полевой установки: 1- рама, 2-опорное колесо, 3-плужный корпус, 4 и 5-корпуса с укороченными отвалами, 6-несущий элемент, 7-поворотная ось, 8-механизм поворота, 9-дисковый рабочий орган, 10-стойка. Рисунок 3.8 - Схема дискового рабочего органа (вид А на рисунке 3.7)
Рисунок 3.9 - Схема механизма регулировки угла наклона дисковых рабочих органов в вертикальной плоскости (вид Б на рисунке 3.7) борозду, образованную впереди идущим корпусом 3 и частично присыпает ее почвой. В дальнейшем последний корпус 5 с укороченным отвалом окончательно формирует из подрезанной массы стерневую кулису, так же частично присыпая ее почвой, при этом стерневая кулиса получается частично заделанной в почву, а частично расположенной на поверхности поля за один проход агрегата.
При работе предлагаемого орудия для противоэрозионной обработки почвы в условиях низкой влажности и высокой твердости почвы усилия пружин 16 при вертикальном расположении дисковых рабочих органов 9 становится недостаточным для надежного подрезания стерни и заглубления дисков 9 в почву. Для лучшего протекания технологического процесса и заглубления дисковых рабочих органов 9 в почву задается угол их наклона а в вертикальной плоскости, в сторону, противоположную направлению движения. Это достигается поворотом несущего элемента 6 дисковой батареи в поворотных осях 7 с помощью механизмов поворота 8 несущего элемента 6.
Исследование влияния шага t между дисковыми органами и поперечного уклона поля у на полноту использования пожнивных остатков
Цель данного исследования изучение влияния шага между дисковыми рабочими органами t на полноту использования пожнивных остатков Qc и почвы Qn, с учетом поперечного уклона поля у. Исследование работы противоэрозионного орудия с различным шагом t между дисковыми рабочими органами проводилось на участках с различной величиной поперечного уклона поля у, одном и том же стерневом фоне, однородном по густоте стояния. Исследуемые показатели определяли на учётных делянках по составленной схеме, в четырёхкратной повторности (по два в прямом и в обратном направлениях), на каждой повторности выполняли по пять замеров. Предварительно перед началом исследований определяли условия по ГОСТ 20915-75. Перед началом экспериментов выполнили регулировку и припашку мобильной экспериментальной установки. Для проведения исследований, с лабораторно-полевой установки был снят четвертый корпус плуга. Таким образом, образуемая гребне-стерневая кулиса оставалась в открытой борозде. Исследования проводили на одной и той же передаче трактора. Шаг между дисками t варьировал в пределах от 0,34 до 0,46 м, с интервалом 0,02 м. Глубина обработки почвы - 25 см. Исследования проводили по следующей методике. На экспериментальном приспособлении устанавливался требуемый шаг /между всеми дисковыми рабочими органами. Шаг между дисками замеряли при помощи специально изготовленной линейки. После установки требуемых параметров, выполняли проходы на учётных делянках, по ранее составленной схеме. На каждой повторности, в пяти местах по ходу движения, брали погонный метр образованной гребне-стерневой кулисы и определяли полноту использования пожнивных остатков Qc и почвы Qn (3.4; 3.5). В следующей серии опытов изменяли шаг t между дисковыми рабочими органами. Опыт проводили в той же последовательности. Таким образом, проводили опыты с изменением шага между дисками от 0,34 до 0,46 м, с интервалом 0,02 м. По окончании проведения серии опытов, собранная масса обрабатывалась и взвешивалась на весах ВМ-20 МТГУ 64-1-1067-78. Погрешность взвешивания ±5 г. Массу почвы, отделённую от пожнивных остатков, по каждому опыту, так же определяли на весах.
Для каждого варианта и повторности, показатель полноты использования пожнивных остатков Qc дисковым приспособлением определяли по формуле (3.4). Показатель полноты использования почвы Qn дисковым приспособлением определяли по формуле (3.5). Полученные данные исследований обрабатывали методом математической статистики. По результатам опытных данных, были построены зависимости полноты использования пожнивных остатков и почвы противоэрозионным приспособлением от шага между дисковыми рабочими органами t, с учетом величины поперечного уклона поля у. 3.4. Методика производственных испытаний плуга ПЛН-5-35 с противоэрозионным приспособлением и его технико-экономическая оценка В ходе проведения производственных испытаний плуга с противоэрозионным приспособлением определяли: агротехнические показатели работы плуга с приспособлением; энергетические показатели плуга с противоэрозионным приспособлением и без него; эксплуатационно-технологические показатели работы плуга противоэрозионным приспособлением; высоту снежного покрова, сток талых вод и смыв почвы на отвальной гребне-кулисной обработке почвы в сравнении с другими обработками; Урожайность сельскохозяйственных культур на полях с отвальной гребне-кулисной обработкой. 3.4.1. Определение агротехнических показателей работы плуга ПЛН-5-35 с противоэрозионным приспособлением Определяли следующие показатели: скорость движения, м/с; среднюю глубину обработки почвы по ширине захвата, см; устойчивость работы орудия по глубине хода и ширине захвата; крошение почвы, %; подрезание растительных остатков, %; профиль поверхности и дна борозды по ширине захвата; высоту гребне-стерневой кулисы над поверхностью почвы, см; ширину гребне-стерневой кулисы, см; глубину залегания гребне-стерневой кулисы в почве, см; забивание и залипание рабочих органов. Агротехническую оценку проводили на типичном для зоны фоне, в соответствии с зональными нормативами и агротехническими требованиями. Испытания проводили в агротехнические сроки, предусмотренные для зоны испытания орудия. До начала испытаний противоэрозионное орудие проработало в хозяйственных условиях более 5 часов чистой работы. Испытания проводили на максимально возможных скоростях, с соблюдением агротехнических требований и технического задания. Условия испытаний определяли по ГОСТ 20915-75. Методика определения агротехнических показателей орудия выполнялась согласно ОСТ 70.4.1-80, ОСТ 70.4.2-80 [111,118,119]. Скорость движения агрегата определяли по формуле: U = S/t, (3.7) где /-время прохождения делянки, с; S -длина делянки, м. Длина одной делянки составляла 100 м. Время прохождения делянки регистрировали при помощи секундомера, в прямом и обратном направлениях, в 4-кратной повторности. Среднюю глубину обработки почвы определяли путём измерения щупом по диагонали обрабатываемого участка в прямом и обратном направлениях. Количество измерений не менее 100. Профиль поверхности и дна борозды замеряли при помощи координатной рейки. Для этого на учётной делянке перед проходом агрегата установили опорные стойки. После прохода агрегата замеряли вертикальные расстояния от обработанной поверхности поля и дна борозды до нижнего обреза рейки, с интервалом 0,1 м. Повторность опыта четырёхкратная. Крошение почвы устанавливали методом взятия проб на площадках раз-мером 0,25 м на глубину обработки. Взятые пробы разделяли на фракции свыше 150, 150-100, 100-50 и менее 50 мм, при помощи набора решёт. Массу каждой фракции определяли с погрешностью ±50 г. Показателем крошения являлось отношение массы фракций менее 50 мм к общей массе почвенной пробы.
