Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы. цель и задачи исследований 16
1.1 Технологии возделывания пропашных культур 16
1.2 Агротехнические требования, предъявляемые к выполнению технологических операций 37
1.3 Особенности технологий возделывания пропашных культур 41
1.3.1 Анализ способов подготовки поля и формирования гребней почвы 41
1.3.2 Анализ способов посева пропашных культур 63
1.3.3 Анализ способов ухода за посевами пропашных культур 73
1.4 Цель работы и задачи исследования. Постановка проблемы 82
2 Энерго- и ресурсосбережение при возделывании пропашных культур 86
2.1 Тенденции развития и пути достижения сберегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур 86
2.2 Факторы, влияющие на выбор энерго-, ресурсосберегающей техноло гии возделывания пропашных культур 92
2.3 Энергетическая оценка технологий возделывания пропашных культур 99
2.4 Энергетическая модель технологий возделывания пропашных культур 107
2.5 Энерго-, ресурсосберегающая и экологически безопасная гребневая технология возделывания пропашных культур 112
Выводы 117
3 Теоретические исследования процесса возделывания пропашных культур по гребневой технологии 118
3.1 Описание конструкций средств механизации гребневого возделыва ния пропашных культур 118
3.2 Обоснование конструктивных параметров рабочих органов гребневой сеялки 129
3.2.1 Обоснование расстояния между гребнеобразователями по ширине секции гребневой сеялки 129
3.2.2 Обоснование угла атаки плоского диска гребневой сеялки 138
3.2.3 Обоснование диаметра плоского диска гребневой сеялки 142
3.2.4 Определение реакции почвы на кольцо катка гребнеобразователя 146
3.2.5 Обоснование диаметра прикатывающих колец катка гребнеобразователя 153
3.2.6 Определение количества прикатывающих колец катка гребнеобразователя 158
3.2.7 Определение давления прикатывающих колец на верхнее основание бугорка почвы 160
3.2.8 Определение плотности почвы в гребне после прохода прикатывающих колец катка-гребнеобразователя 163
3.2.9 Обоснование диаметра и радиуса кривизны сферического диска катка-гребнеобразователя 163
3.2.10 Определение влияния сферических дисков катка на плотность почвы в гребне 167
3.2.11 Определение плотности почвы в гребне после прохода катка гребнеобразователя 172
3.3 Обоснование конструктивных параметров рабочих органов пропаш ного культиватора 172
3.3.1 Обоснование расстояния между рабочими органами соседних секций пропашного культиватора 172
3.3.2 Обоснование угла атаки плоского диска рабочего органа пропашного культиватора 175
3.4 Определение силы на перемещение гребневой сеялки и пропашного культиватора 181
3.4.1 Определение силы на перемещение гребневой сеялки 181
3.4.2 Определение силы на перемещение пропашного культиватора, оснащенного комбинированными рабочими органами 189
Выводы 192
4 Методика и результаты исследования средств механизации гребневого возделывания пропашных культур в лабораторных условиях 194
4.1 Программа экспериментальных исследований 194
4.2 Методика экспериментальных исследований
4.2.1 Разработка и изготовление лабораторных моделей средств механизации гребневого возделывания пропашных культур 198
4.2.2 Разработка и изготовление лабораторного комплекса 202
4.2.3 Методика использования лабораторного комплекса 205
4.2.4 Выбор средств измерений 207
4.3 Методика определения энергетических показателей средств механизации гребневого возделывания пропашных культур 212
4.4 Оценка погрешности измерительных приборов 216
4.5 Исследования средств механизации гребневого возделывания пропашных культур в лабораторных условиях 218
4.5.1 Выбор параметров оптимизации и управляемых факторов 218
4.5.2 Планирование факторного эксперимента 226
4.6 Результаты исследования средств механизации гребневого возделы вания пропашных культур в лабораторных условиях 232
4.6.1 Определение оптимальных режимов работы гребнеобразовате лей 232
4.6.2 Определение оптимальных режимов работы катка гребнеобразователя 242
4.6.3 Определение оптимальных режимов работы пропашного культиватора на первой междурядной обработке 253
4.6.4 Определение оптимальных режимов работы пропашного культиватора на второй междурядной обработке 2 4.7 Характер перемещения слоев почвы после прохода гребневой сеялки и пропашного культиватора 268
4.8 Влияние влажности почвы на качество выполнения технологических операций 272
Выводы 274
5 Исследование гребневой технологии возделывания пропашных культур в производственных условиях 277
5.1 Методика проведения исследований в производственных условиях277
5.2 Способ гребневого посева пропашных культур с использованием гребневой сеялки 282
5.3 Способ гребневого ухода за посевами пропашных культур с использо ванием пропашного культиватора 292
5.4 Энергетическая оценка гребневой сеялки и пропашного культиватора 308
5.5 Результаты исследований гребневой технологии возделывания пропашных культур в производственных условиях 313
5.6 Энергетическая оценка гребневой технологии возделывания пропашных культур 317
5.7 Экономическая оценка гребневой технологии возделывания пропашных культур 318
Выводы 324
Заключение 328
Список литературы
- Анализ способов подготовки поля и формирования гребней почвы
- Факторы, влияющие на выбор энерго-, ресурсосберегающей техноло гии возделывания пропашных культур
- Определение давления прикатывающих колец на верхнее основание бугорка почвы
- Определение оптимальных режимов работы пропашного культиватора на первой междурядной обработке
Введение к работе
Актуальность темы. Повышение эффективности предприятий агропромышленного комплекса (АПК) в современных условиях предполагает получение стабильно высоких урожаев при минимальных энергетических и эксплуатационных затратах за счет совершенствования существующих технологий и средств механизации.
В настоящее время активно внедряют сберегающие технологии возделывания пропашных культур, основанные на сокращении количества выполняемых технологических операций, замене отвальной обработки почвы – безотвальной, прямой посев сельскохозяйственных культур, применении гербицидов и комбинированных машин. Однако известно, что комбинированные машины и агрегаты не всегда обеспечивают выполнение агротехнических требований, предъявляемых к возделыванию пропашных культур, особенно при их возделывании по гребневым технологиям.
Доказано, что затраты на возделывание сельскохозяйственных культур достигают 70 % от общих затрат на производство продукции. Существенная часть потребления энергии в виде бензина и дизельного топлива (до 300 л/га) приходится на мобильные энергетические средства.
Несмотря на значительное количество научных изысканий, проблема энерго-, ресурсосбережения при возделывании пропашных культур остается актуальной.
В связи со сказанным выше, проблема разработки и исследования энерго-, ресурсосберегающей и экологически безопасной технологии возделывания пропашных культур и конкурентно-способных средств механизации предпосевной подготовки поля, посева и ухода за посевами пропашных культур, обеспечивающих высокое качество выполняемых технологических операций, технико-экономические показатели и исключающих использование экологически небезопасных гербицидов, является актуальной, важной и имеет значительное влияние для развития страны.
Степень разработанности темы. Решению проблемы подготовки поля, посева и ухода за посевами сельскохозяйственных культур значительное внимание уделено в исследованиях В.П. Горячкина, Г.Н. Синеокова, В.А. Желиговского, С.С. Саакяна, Ш.М. Григоряна, С.А. Бадаляна, Л.Б. Адамяна, Ю.Я. Цапенко, В.М. Шевелева, В.М. Акулова, П.С. Нартова, И.М. Панова, В.Ф. Стрельбицкого, В.А. Милюткина, А.И. Канаева, М.Н. Чаткина, Б.М. Козырева, В.И. Курдюмова, Н.Е. Руденко, А.Н. Зазули, А.В. Балашова, Н.П. Ларюшина, П.А. Емельянова, С.А. Ивженко, Р.С. Рахимова, Н.К. Мазитова, Я.П. Лобачевского, С.Г. Мударисова, Р.К. Абдрахманова, Б.Г. Зи-ганшина, М.М. Давлетшина Г.С. Юнусова, Н.М. Соколова, А.-М.С. Джашеева, А.И. Дерепаскина, Ю.В. Бинюкова, Д.В. Бокова, В.Ф. Первушина и многих других.
Проведенный анализ методов расчета оценочных параметров средств механизации гребневого возделывания пропашных культур показал, что, несмотря на многочисленные попытки ученых, в теории расчета геометрических параметров и формы рабочих органов имеются вопросы, которые до настоящего времени решены не полностью. Кроме того, результаты известных теоретических и экспериментальных исследований не могут быть непосредственно применены для гребневой сеялки и
пропашного культиватора, оборудованных дополнительными комбинированными рабочими органами с плоскими и сферическими дисками.
Работа выполнена в соответствии с планом НИОКР Ульяновской ГСХА на
2001...2005 г.г. «Разработка технологий, средств механизации и технического об
служивания энергосберегающих процессов производства и переработки продукции
сельского хозяйства» (номер государственной регистрации – 01.200.203528); в соот
ветствии с планами НИОКР Ульяновской ГСХА на 2006...2010 г.г. «Разработка
средств механизации и технического обслуживания энерго- и ресурсосберегающих
технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельско
го хозяйства» (номер государственной регистрации – 01200600147); на 2011...2015
гг. «Разработка ресурсо-, энергосберегающих технологий и средств механизации
сельского хозяйства» (номер государственной регистрации – 01201157951) и на
2016...2020 г.г. «Разработка ресурсо-, энергосберегающих технологий и средств ме
ханизации сельского хозяйства» (номер государственной регистрации –
АААА-А16-116041110193-8).
Часть исследований выполнена в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых кандидатов наук на 2011...2012 г.г. «Энерго-, ресурсосберегающая и экологически безопасная гребневая технология и средства механизации возделывания пропашных культур» (МК-3642.2011.8), а также в рамках стипендии Президента РФ для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики на 2015...2017 г.г. «Энергоэффективность, энерго- и ресурсосбережение в ключевых технологиях производства продукции растениеводства» (СП-3365.2015.1).
Цель исследований – повышение эффективности возделывания пропашных культур путем разработки гребневой технологии и средств механизации для ее осуществления.
Задачи исследований:
1) выполнить анализ существующих технологий и средств механизации возде
лывания пропашных культур, выявить перспективные направления их совершенст
вования;
-
дать параметрическое обоснование и энергетическую оценку технологий возделывания пропашных культур;
-
разработать гребневую технологию возделывания пропашных культур и средства механизации для ее осуществления.
-
выполнить теоретическое исследование процесса возделывания пропашных культур по гребневой технологии и выявить его основные закономерности;
-
исследовать средства механизации гребневого посева и ухода за посевами в лабораторных условиях, разработать модели их функционирования и определить оптимальные параметры и режимы работы;
-
выполнить исследования предложенной гребневой технологии возделывания пропашных культур и разработанных средств механизации в производственных условиях, определить экономическую эффективность их применения.
Объект исследований – гребневая технология возделывания пропашных культур, включающая операции предпосевной подготовки поля, посева, формирования гребней почвы над высеянными семенами и механизированного ухода за посевами, выполняемые предлагаемыми средствами механизации.
Предмет исследований – закономерности процесса возделывания пропашных культур.
Научную новизну работы составляют:
результаты анализа известных технологий возделывания пропашных культур и средств механизации для их осуществления;
научно-обоснованные требования к разработке технологии возделывания пропашных культур и средств механизации для ее осуществления;
информационная и энергетическая модели предлагаемых технологий возделывания пропашных культур;
энерго-, ресурсосберегающая и экологически безопасная гребневая технология возделывания пропашных культур и средства механизации для ее осуществления;
результаты теоретических исследований процесса возделывания пропашных культур по гребневой технологии;
результаты исследований средств механизации гребневого возделывания пропашных культур в лабораторных и производственных условиях.
Новизна технических решений предложенных способов и средств механизации гребневого возделывания пропашных культур и технических решений подтверждена 163 патентами РФ на изобретения и полезные модели.
Теоретическая значимость работы заключается в энергетической оценке технологий возделывания пропашных культур; в развитии теории процессов гребневого посева пропашных культур и ухода за посевами пропашных культур по гребневой технологии; полученных теоретических и экспериментальных зависимостях, позволяющих определить оптимальные конструктивные параметры гребневой сеялки и пропашного культиватора, оснащенного комбинированными рабочими органами с плоскими дисками, и режимы их работы при посеве и механизированном уходе за посевами; теоретических зависимостях по определению усилия, необходимого для перемещения гребневой сеялки и пропашного культиватора.
Практическая значимость работы заключается в разработке гребневой технологии возделывания пропашных культур, а также средств механизации для ее осуществления, применение которых позволяет до 68 % снизить эксплуатационные затраты, до 33 % повысить урожайность возделываемых культур, уменьшить потери урожая до 15 %, получить дополнительную прибыль от реализации продукции растениеводства до 13995 руб./га в сравнении с существующей технологией возделывания на ровной поверхности поля и до 10658 руб./га – в сравнении с существующей гребневой технологией.
Суммарная прибыль от реализации продукции растениеводства за период с 2006 по 2016 г.г. при внедрении гребневой технологии и предлагаемых средств механизации превысила 20 млн.руб.
Методология и методы исследований. Поставленные задачи решали диффе-
ренциальным и интегральным исчислением, численными методами и методами математической статистики, с применением корреляционно-регрессионного анализа. Результаты теоретических исследований процесса возделывания подтверждены экспериментальной проверкой в лабораторных и производственных условиях. Достоверность полученных данных обеспечена методами математической обработки и статистического анализа результатов исследований, многофакторного анализа, применением лицензионных математических программных пакетов для ПЭВМ: «Statistica», «Derive» и «ZETLab».
Вклад автора в проведенные исследования. Автор – основной исполнитель настоящей диссертационной работы. Анализ существующих технологий и средств механизации возделывания пропашных культур, постановка проблемы, формулировка научной гипотезы, цели и задач исследований, выявление перспективных направлений совершенствования технологий и средств механизации, параметрическое обоснование и энергетическая оценка технологий возделывания пропашных культур; разработанная гребневая технология возделывания пропашных культур и средства механизации для ее осуществления; теоретическое исследование процесса возделывания пропашных культур по гребневой технологии; исследования средств механизации гребневого посева и ухода за посевами в лабораторных и производственных условиях, оценка экономической эффективности их применения выполнены лично автором.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
научно-обоснованные требования к разработке технологии возделывания пропашных культур и средств механизации для ее осуществления;
энергетические модели технологий возделывания пропашных культур;
энерго-, ресурсосберегающая и экологически безопасная гребневая технология возделывания пропашных культур и новые средства механизации для ее осуществления;
теоретические зависимости процесса возделывания пропашных культур по гребневой технологии;
математические модели процессов формирования гребня почвы над высеянными семенами и механизированного ухода за посевами по гребневой технологии;
результаты исследования средств механизации гребневого возделывания пропашных культур в лабораторных и производственных условиях по определению их оптимальных конструктивных параметров и режимов работы.
Реализация результатов исследований. Разработанные гребневая технология возделывания пропашных культур и средства механизации для ее осуществления успешно внедрены и используются на общей площади более 5000 га сельскохозяйственных предприятий Ульяновской, Самарской областях и Республики Татарстан, возделывающие пропашные культуры.
Предлагаемые гребневая технология возделывания пропашных культур и средства механизации, а также результаты их исследований рекомендованы Департаментом сельского хозяйства Ульяновской области, Министерством сельского хозяйства Пензенской области, Министерством сельского хозяйства и продовольствия
Самарской области, Министерством сельского хозяйства Саратовской области, Министерством сельского хозяйства и продовольствия Рязанской области, Министерством сельского хозяйства Республики Башкортостан, Министерством сельского хозяйства и продовольствия Республики Марий Эл и Министерством сельского хозяйства и продовольствия Удмуртской Республики к применению в соответствующих хозяйствах региона при условии корректировки сроков выполнения операций технологического процесса, а также рекомендованы Департаментом растениеводства, химизации и защиты растений Министерства сельского хозяйства РФ к внедрению в Приволжском федеральном округе.
ФГБНУ «Росинформагротех» совместно с Научно-техническим советом по приоритетным фундаментальным и прикладным научным исследованиям и инновационной деятельности в АПК Министерства сельского хозяйства РФ, в рамках выполнения пункта 4 протокола № 6 президиума Совета при Президенте Российской Федерации по модернизации экономики и инновационному развитию России (от 24 декабря 2014 г.) «О формировании перечня наилучших доступных технологий...» рекомендовало разработанную энерго-, ресурсосберегающую и экологически безопасную гребневую технологию возделывания пропашных культур для внедрения в производство.
Разработаны технические задания и проектная документация на изготовление средств механизации гребневого возделывания пропашных культур, которые переданы на завод (ООО «Техноальянс», г. Ульяновск) для изготовления и запуска в серийное производство.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена корректностью постановки и решения задач с использованием фундаментальных положений теории процессов воздействия на почву рабочих органов сельскохозяйственных машин и орудий, в частности, стрельчатых лап, плоских и сферических дисков, и почвообрабатывающих катков. Обработка экспериментальных данных общепринятыми методами с использованием ПЭВМ и прикладных программ показала хорошую сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях Ульяновской ГСХА (2004…2017 г.г.), Институте механики и энергетики Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева (2004...2013 г.г.), Всероссийском научно-исследовательском институте использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (г. Тамбов, 2005 г., 2015 г.), Волгоградской ГСХА (2005 г.), Пензенской ГСХА (2004, 2005 г.г.), Орловском ГАУ (2006 г.), Астраханском ГУ (2006 г., 2012 г.), Мичуринском ГАУ (2009 г., 2015 г.), Рязанском ГАТУ им. П.А. Костычева (2014 г.), Самарской ГСХА (2005 г., 2015 г.), Новочеркасском политехническом институте Южно-Российского ГТУ (2011 г.), Саратовском ГАУ им. Н.И. Вавилова (2013 г.).
Энерго-, ресурсосберегающая и экологически безопасная гребневая технология возделывания пропашных культур и средства механизации для ее осуществления удостоены:
серебряной медали Российской агропромышленной выставки «Золотая осень» (г. Москва, ВДНХ) в 2008 г., золотой медали в 2013 г., бронзовой медали в 2016 г.;
золотой медали Американо-Российского делового союза «Innovations for investments to the future» (2009 г.);
- золотой медали Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ,
проведенного Министерством образования и науки РФ в Южно-Российском ГТУ
(Новочеркасский политехнический институт, 2011 г.);
золотой медали «Инженерная слава» за разработку и внедрение высокоэффективной гребневой технологии (г. Москва, 2012 г.);
золотой медали VIII Саратовского Салона изобретений, инноваций и инвестиций (2013 г.).
Публикации. По основным положениям диссертационной работы опубликовано 106 печатных работ, в том числе 44 статьи в перечне изданий, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья – в перечне изданий Scopus. Получено 169 патентов РФ на изобретения и полезные модели. Издана монография объемом 20 п.л. Общее количество опубликованных работ составляет 275, а их объем 102,6 п.л., из них 60,7 п.л. принадлежит соискателю.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 365 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 372 страницах, включая 161 рисунок и 24 таблицы.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту профессору Курдюмову В.И. за оказанную им всестороннюю помощь на всех стадиях подготовки диссертации.
Анализ способов подготовки поля и формирования гребней почвы
В отличие от технологии возделывания пропашных культур на постоянных гребнях почвы, технология возделывания на вновь создаваемых гребнях почвы, с учетом севооборота, предусматривает выполнение различных технологических операций (механических и химических) с целью качественной подготовки поля к посеву, образования гребней почвы и борьбы с сорной растительностью. Семена культурных растений высевают либо в заранее сформированные гребни (осенью или весной), либо на ровную поверхность поля с последующим образованием гребней почвы требуемых размеров и поперечного профиля [73, 74, 75, 193, 194, 195, 196].
Из механических операций по подготовке поля преобладают: основная обработка почвы (отвальная или безотвальная), лущение стерни, культивация, щелевание и боронование почвы. Гребни почвы образуют средствами механизации с активными и пассивными рабочими органами: вертикально или горизонтально установленными фрезами, плоскими и сферическими дисками, щитками, гребнеобразующими плитами, окучниками, многоярусными стрельчатыми лапами. Химические операции по подготовке поля предусматривают масштабное применение контактных и почвенных гербицидов сплошного действия до посева (в осенний и весенний периоды времени) и избирательного действия при уходе за посевами отдельных культур в процессе их вегетации.
Отвальную обработку почвы при осуществлении рассматриваемой гребневой технологии возделывания выполняют, преимущественно, после крупностебельных предшественников для качественной заделки стеблей оставшихся на поверхности поля после уборки урожая. К основной обработке почвы предъявляют повышенные требования по качеству ее выполнения и срокам проведения, так как она способствует накоплению влаги и питательных веществ, созданию благоприятных условий для активной жизнедеятельности микроорганизмов и последующего развития корневой системы культурных растений. Основной отвальной обработке почвы также принадлежит ведущая роль в уничтожении сорной растительности и заделке верхнего слоя почвы вместе с семенами сорных растений на дне борозды [73, 75, 339].
Так, согласно технологии Украинского НИИ растениеводства, селекции и генетики им. В.Я. Юрьева; Госагропрома СССР и Госагропрома УССР [73], с целью минимизации эксплуатационных затрат осенью необходимо выполнить лущение стерни на глубину 6…8 см, обработать поверхность поля контактным гербицидом сплошного действия, а затем сформировать гребни почвы предпочтительно в направлении с севера на юг. На склоновых участках гребни почвы сформировать поперек склона, а на участках сложной конфигурации – максимально приближенно к горизонтальной поверхности. Семена культурных растений высевать сеялками СКП или СПЧ в гребни почвы, сформированные осенью. Если всходы сорных растений опережают всходы культурных, то применяют сплошную обработку поверхности поля гербицидами избирательного действия, дозы которых увеличивают в 1,5…2 раза, а в фазе 3…5 листьев культурных растений применяют дополнительную химическую прополку культурных растений этими же гербицидами обычной дозой.
Если гербициды вносили ленточно на вершины гребней почвы вслед за высеянными семенами, то выполняют механизированный уход за посевами – стрельчатыми и плоскорежущими лапами при первой междурядной обработке и окучниками при второй.
Несколько иначе в сложившейся ситуации реализовать гребневую технологию предлагают ученые Ульяновского НИИСХ Россельхозакадемии [48, 59, 347]. В осенний период времени необходимо выполнить культивацию зяби с последующим формированием гребней почвы высотой 15…20 см. В весенний период времени для исключения испарения влаги и вегетации сорных растений гребни почвы рыхлят и одновременно вносят гербициды, причем гербициды вносят полосами (ленточно) на верхнее основание гребней почвы. Семена в гребни высевают сеялками СУПН. При появлении всходов культурных растений почву в гребнях рыхлят ротационными боронками, обеспечивая их воздухопроницаемость. При первой междурядной обработке подрезают сорные растения, при второй выполняют окучивание.
Исследования [48, 59, 347], проведенные авторами, показали, что при таких технологических приемах обеспечивается уменьшение дозы применяемых гербицидов на 70 %.
Согласно технологии Всесоюзного НИИ земледелия и защиты почв от эрозии [75], после уборки целесообразно выполнить лущение стерни, щелева-ние почвы на глубину 40…45 см и обработать поле гербицидом сплошного действия. Если предшественниками были крупностебельные культуры, то их пожнивные и корневые остатки необходимо измельчить тяжелыми дисковыми боронами в двух направлениях, затем выполнить основную отвальную обработку почвы на глубину 25…27 см с последующими операциями культивации и боронования поверхности поля. В зависимости от сроков формирования гребней почвы, такой технологический прием позволит создать благоприятные условия для последующих формирования гребней почвы 20…25 см и высева семян культурных растений в них на глубину, предусмотренную агротехническими требованиями к каждой конкретной культуре.
Посев осуществляют сеялкой СПЧ или сеялкой СКП, которая оснащена специальным приспособлением, в сформированные осенью гребни почвы (рисунок 1.2а), либо сеялкой СУПН с дополнительным приспособлением ВНИИ-ЗиЗПЭ на ровную поверхность поля с одновременным образованием гребней почвы над семенами М-образного профиля (рисунок 1.3) [75].
Факторы, влияющие на выбор энерго-, ресурсосберегающей техноло гии возделывания пропашных культур
Уплотнение бугорков почвы специальными катками, кроме положительной стороны – подтягивание влаги из нижнего слоя почвы к верхнему и формирование гребней с требуемой плотностью, имеет и отрицательную: на поверхности гребней отсутствует рыхлый слой почвы, в результате чего влага из почвы быстро испаряется, а на гребнях почвы возникают трещины.
В качестве финишной операции для формирования гребней почвы широко применяют и гребнеобразующие плиты, которые, как правило, комплектуют со средствами механизации поверхностной обработки почвы.
Недостатком применения таких средств механизации является неравномерная плотность почвы в гребне. Кроме того, за счет скользящего действия рабочих поверхностей гребнеобразующих плит по почве, такие средства механизации обладают повышенным тяговым усилием.
Наиболее распространенным технологическим приемом формирования гребней почвы является смещение почвы с оборотом пласта пассивными и ротационными рабочими органами (таблица 1.4).
В зависимости от необходимых размеров гребней почвы наибольшее применение из пассивных рабочих органов с оборотом пласта получили окучники и многоярусные стрельчатые лапы, наименьшее применение – лемешно-отвальные корпуса.
Как правило, лемешно-отвальные корпуса применяют на средних и тяжелых почвах для нарезки гребней высотой 25 см и более без предварительной обработки почвы. Лемешно-отвальные корпуса снабжены неподвижными культурными или полувинтовыми отвалами с постоянным углом раствора крыльев. Для лучшей оборачиваемости пласта почвы с тыльной стороны отвалов установлены дополнительные крылья. Ширину нарезаемых гребней почвы регулируют перестановкой корпусов по ширине рамы орудия. Дисковые рабочие органы пропашного культиватора Для формирования гребней высотой до 25 см до посева и одновременно с высевом семян пропашных культур на легких и средних по механическому составу почвах широко применяют окучники различных конструкций: с нерегулируемыми пластинчатыми плоскими крыльями, с регулируемыми пластинчатыми отвальными крыльями, с прутковыми и вырезными крыльями; а также многоярусные стрельчатые лапы. Принцип работы окучников с пластинчатыми крыльями аналогичен ле-мешно-отвальным корпусам. Тем не менее, технологический процесс нарезки гребней почвы окучниками сложнее, чем лемешно-отвальными корпусами, так как окучники с пластинчатыми крыльями не образуют открытой борозды и перемещают пласт почвы «снизу-вверх».
Технологический процесс формирования гребней почвы лемешно-отвальными корпусами и окучниками с пластинчатыми крыльями энергоемок из-за увеличенной площади контакта почвы с трущимися поверхностями рабочих органов.
Кроме того, эти рабочие органы выворачивают влажные слои почвы на поверхность, что ускоряет испарение влаги из сформированных гребней, а при влажности почвы выше 18 % на рабочие органы налипает почва.
На почвах, влажность которых находится в пределах 20…30 %, удовлетворительно работают окучники с прутковыми и вырезными крыльями, а также многоярусные стрельчатые лапы. Такие рабочие органы работают в режиме самоочищения, а силы нормального давления пласта почвы сконцентрированы на меньшей площади.
В настоящее время на предприятиях АПК для формирования гребней почвы до посева или при механизированном уходе за посевами пропашных культур все больше применяют средства механизации со сплошными и вырезными сферическими дисками (таблица 1.4).
Характерной особенностью дисковых рабочих органов является то, что при движении почвообрабатывающего агрегата сферические диски меньше забиваются растительными остатками и могут работать на почвах, влажность ко 58 торых достигает 30 % [93, 94, 95, 96, 97, 124, 296, 304, 314, 334, 352, 353].
В процессе вращения сферические диски, установленные с углом атаки к направлению движения, вырезают в почве пласт, приподнимают его на рабочую вогнутую поверхность, в результате чего почва частично крошится, оборачивается и перемешивается, формируя гребень почвы или окучивая культурные растения.
С увеличением угла атаки сферические диски лучше заглубляются и крошат почву, с увеличением угла наклона диска к вертикали улучшается оборот пласта и перемешивание почвы.
Для первичного формирования гребней на почвах, тяжелых по механическому составу, необработанных почвах с большим количеством корней сорных растений, как правило, применяют средства механизации с вырезными сферическими дисками, которые с наименьшими затратами внедряются в почву, а также перерезают корни сорняков.
Кроме того, при обработке почв, влажность которых не превышает 15…18 %, крупные комки почвы не образуются, а тяговое усилие средств механизации для формирования гребней почвы со сферическими дисками ниже, чем средств механизации с пассивными рабочими органами.
Из недостатков средств механизации со сферическими дисками выделяют неудовлетворительную заглубляемость дисков в почву с малыми углами атаки, что требует применения балластных грузов или штанг с пружинами, а также непригодность для работы на скоростях более 7 км/ч.
Формирование гребней почвы возможно и смещением почвы без оборота пласта плоскими дисками или щитками (таблица 1.5).
Средства механизации формирования гребней почвы с плоскими дисками применяют преимущественно на предварительно обработанных почвах.
Плоские диски, при вращении, сминают и смещают почву в сторону продольной оси симметрии будущих гребней без ее оборота, что позволяет сохранить влагу в центральной части гребня. После прохода плоских дисков часть почвы осыпается под углом естественного откоса с верхней части гребней.
Определение давления прикатывающих колец на верхнее основание бугорка почвы
Выявлено [49, 85], что применение гербицидов позволяет уничтожить однолетние сорные растения только на 70…80 %, как правило, однолетние. Для уничтожения многолетних и корнеотпрысковых сорных растений необходимо выполнять механизированную обработку междурядий пропашными культиваторами. Кроме того, применение гербицидов способствует гарантированному снижению урожайности возделываемой культуры до 15 %.
Механизированный и химический способы ухода за посевами пропашных культур являются основными. Однако исследованиями доказано, что термический (огневой) способ позволяет уничтожать не только вегетирующие сорные растения, но и их семена [16, 107, 230, 231, 232, 250, 251, 252, 253, 254, 355, 356, 361].
Для реализации термического способа уничтожения сорных растений разработаны средства механизации, содержание горелку [230, 231, 232, 250, 251, 252, 253, 254]. При движении агрегата в междурядьях пропашных культур пламенем горелки воздействуют на верхние части сорных растений с наибольшей концентрацией семян. Такой способ позволяет уничтожить сорные растения вместе с семенами на стадии их вегетации до момента, когда семена сорняков окажутся на поверхности поля.
Анализ способов термической обработки позволил установить, что при воздействии пламени горелки на сорные растения повреждаются и культурные растения. Кроме того, горелка на раме агрегата установлена на определенной высоте, а высота сорняков различна. Таким образом, для максимального уничтожения сорных растений необходимо до пяти проходов агрегата по полю, в результате чего почва в междурядьях переуплотнена, а эксплуатационные затраты на уход за посевами максимальны.
Сущность электрического способа ухода за посевами пропашных культур заключается в контактном воздействии электрического тока на сорные растения [234, 235, 236, 237, 238, 239, 240]. По мнению разработчиков, такое воздействие способствует прекращению жизнедеятельности растительных тканей, а также нарушает структуру и целостность клеточных мембран сорных растений. Практическая реализация данного способа предусматривает наличие на агрегате высоковольтного источника электрической энергии, генератора, блока управления, устройство генерирования переменных по частоте следования управляющих импульсов и электродов, взаимодействующих с сорными растениями и почвой. Однако такой способ ухода несовершенен в связи с повышенной опасностью поражения электрическим током механизатора, а также низким качеством выполнения технологической операции.
Анализируя термический и электрический способы ухода за посевами пропашных культур установлено, что эти способы несовершенны, а средства механизации для их осуществления требуют модернизации. Практическая реализация этих способов требует дополнительного оборудования: кислородного, пропанового баллонов или высоковольтного источника электрической энергии, а также дополнительных средств защиты механизатора от поражения электрическим током.
Таким образом, анализ способов ухода за посевами пропашных культур показал, что в настоящее время актуальными являются механизированный и химический способы.
Из анализа средств механизации ухода за посевами пропашных культур следует, что применение серийных рабочих органов культиваторов не в полной мере обеспечивают уничтожение сорных растений в защитных зонах рядков и на верхнем основании гребней почвы между культурными растениями. Применение пассивных рабочих органов, преимущественно стрельчатых лап и лап-бритв, позволяет с высоким качеством подрезать сорные растения в междурядьях и разрыхлить почву, однако защитные зоны и гребни почвы остаются необработанными. Использование ротационных рабочих органов повышает засоренность полей, что требует применения химических средств защиты расте 82 ний.
Таким образом, анализ технологий возделывания пропашных культур и средств механизации для их осуществления показал, что цель разработки любой технологии – повышение урожайности сельскохозяйственных культур и уменьшение энергетических и эксплуатационных затрат.
При возделывании пропашных культур на ровной поверхности поля необходимыми технологическими операциями являются основная и предпосевная обработки почвы, которые осуществляют однооперационными и комбинированными машинами и агрегатами.
Для формирования гребнистого профиля на поверхности поля применяют однооперационные и комбинированные средства механизации с пассивными и ротационными рабочими органами. Семена в гребни высевают сеялками для гладкого посева, а уход за посевами осуществляют механизировано – пропашными культиваторами или химически – опрыскивателями.
Определение оптимальных режимов работы пропашного культиватора на первой междурядной обработке
По оси симметрии стрельчатой лапы 2 установлена ножевидная стойка 4, передняя грань которой двусторонне заточена. Стойка 1 установлена в верхней части ножевидной стойки 4. Между крыльями стрельчатой лапы 2 параллельно ее режущим кромкам установлена пластина 5 в форме равнобедренного треугольника, вершина которой направлена в сторону движения стрельчатой лапы 2. В основании пластины 5 выполнен горизонтальный паз 6. Высевающая трубка 3 установлена по оси симметрии стрельчатой лапы 2 над горизонтальным пазом 6 параллельно стойке 1. С тыльной стороны нижней части высевающей трубки 3 выполнен вертикальный паз 7.
Каждый гребнеобразователь (рисунок 3.4) содержит стойку 1, двусторон-не заточенную ножевидную стойку 2, стрельчатую лапу 3.
На стойке 1 установлен кронштейн 4. На кронштейне 4 жестко закреплен регулировочный диск 5 с осью 6. Под регулировочным диском 5 с возможностью поворота вокруг своей оси установлен дополнительный диск 7. Регулировочный диск 5 и дополнительный диск 7 имеют отверстия 8, расположенные по периферии на одинаковом расстоянии от их центра. Под дополнительным диском 7 жестко закреплен направляющий кронштейн 9 с полуосью 10 и плоским диском 11. Полуось 10 установлена в направляющем кронштейне 9.
С плоским диском 11 жестко связан корпус 12 с подшипником 13. Плоский диск 11 посредством подшипника 13 установлен на полуоси 10 с возможностями изменения своего положения по высоте относительно режущих кромок стрельчатой лапы 3 и изменения угла установки (угла атаки) в горизонтальной плоскости от 0 до 40. Необходимое положение плоского диска 11 по высоте относительно режущих кромок стрельчатой лапы 3 устанавливают перемещением кронштейна 4 вместе с регулировочным 5 и дополнительным диском 7 по стойке 1 и фиксируют в требуемом положении болтом 14, вворачиваемым в резьбовое отверстие кронштейна 4. Требуемый угол атаки плоского диска 11 устанавливают вращением дополнительного диска 7 вместе с направляющим кронштейном 9 и полуосью 10 вокруг оси 6. Плоский диск 11 фиксируют в требуемом положении болтом 15, вставляемым в одно из отверстий 8.
Плоские диски 11 каждой пары гребнеобразователей установлены симметрично относительно линии высеянных семян под углами а д, раствор которых направлен в сторону движения гребневой сеялки.
Каток-гребнеобразователь (рисунок 3.5) содержит раму, состоящую из поперечных 1 и 2 и продольных 3 и 4 балок. На продольных балках 4 в под 123 шипниках 5 установлена ось 6. На продольных балках 3 в подшипниках 7 установлены выпуклостью к оси симметрии сферические диски 8. На оси 6 между сферическими дисками 8 расположены прикатывающие кольца 9, свободно вращающиеся на оси 6.
Каток-гребнеобразователь содержит также кронштейн 10, жестко закрепленный на поперечной балке 1, посредством которого каток агрегатируют с гребневой сеялкой. К кронштейну 10 шарнирно при помощи пальца 11 присоединена штанга 12. На штанге 12 установлена пружина 13. Усилие сжатия пружины регулируют перемещением гайки 14 по резьбе штанги 12. На балке 1 выполнены отверстия 15, позволяющие регулировать угол атаки сферических дисков 8 от 0 до 30. Для фиксации штанги 12 во время работы или при транспортировке гребневой сеялки на наружном конце муфты 16 установлен шплинт 17.
Катки-гребнеобразователи расположены за гребнеобразователями с возможностью копирования рельефа формируемого гребня почвы, а продольные оси симметрии катков совпадают с линией высеянных семян.
Техническая новизна разработанных средств механизации гребневого посева пропашных культур подтверждена 115 патентами РФ на изобретения и полезные модели (приложение Б). Гребневая сеялка работает следующим образом. Предварительно при помощи редукторов и сменных дисков с отверстиями под определенную культуру в высевающих аппаратах устанавливают необходимую норму высева семян. Перемещением лап-сошников в держателях в вертикальной плоскости устанавливают необходимую глубину заделки семян. В зависимости от требуемых размеров гребня почвы (высоты гребня Яг, ширины верхнего основания Вг и угла естественного откоса у) над высеянными семенами устанавливают необходимую глубину хода гребнеобразователей в почве, а также необходимые углы атаки а д плоских дисков к направлению движения гребневой сеялки. Перемещением продольных балок вместе со сферическими дисками по поперечной балке устанавливают необходимый угол атаки асд сферических дисков к направлению движения гребневой сеялки. Сжатием
пружин устанавливают необходимое давление катков-гребнеобразователей на сформированный плоскими дисками бугорок почвы.
При движении гребневой сеялки, стрельчатые лапы рыхлят верхний слой почвы и подрезают сорные растения, а также образуют уплотненное ложе для укладки в него семян. Ножевидные стойки дополнительно крошат почву, приподнятую стрельчатыми лапами. Высевающие аппараты через семяпроводы направляют семена к высевающим трубкам лап-сошников, а высевающие трубки укладывают семена на влажное уплотненное ложе на глубину 2...3 см. Слой почвы, сходящий с крыльев стрельчатых лап, движется по пластинам и равномерно накрывает высеянные семена.