Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы. цель и задачи исследований 17
1.1. Анализ исследований влияния уплотняющего действия двюкителей сельскохозяйственных тракторов и машин на почву при возделывании и уборке сельскохозяйственных культур 17
1.2. Анализ существующих способов снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин 25
1.3. Анализ существующих средств механизации для снижения уплотнения почвы 35
1.3.1 Анализ существующих средств механизации обработки почвы, повышающих влагонакопление уплотненной почвы для ее разуплотнения промораживанием 35
1.3.2 Анализ существующих средств механизации снижения уплотнения почвы механическим рыхлением (следоразрыхлением) 51
1.4 Анализ результатов исследований снижения уплотнения почвы 60
Выводы, цель и задачи исследований 75
2 Разработка способов, снижающих уплотнение почвы и их функциональное описание 78
2.1. Пути снижения уплотнения почвы 78
2.2 Разработка способов, снижающих уплотнение почвы 81
2.2.1 Разработка способа снижения уплотнения почвы промораживанием 85
2.2.2 Разработка способа снижения уплотнения почвы механическим рыхлением (следоразрыхлением) 89
2.3 Функциональное описание процесса снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин
2.4 Оптимизация управления технологическими процессами способов снижения уплотнения почвы (на примере промораживания) 95
2.5 Бороздообразователь отвального плуга 105
2.6 Комбинированный рабочий орган для безотвальной обработки почвы 106
2.7 Орудие для мелкой осенней полосовой обработки почвы 108
2.8 Следоразрыхлитель трактора для агрофона с основной безотвальной обработкой почвы
2.9 Следоразрыхлитель трактора для агрофона с основной отвальной обработкой и оптимальной ее влажностью 110
2.10 Следоразрыхлитель трактора для агрофона с основной отвальной обработкой почвы и ее влажностью на уровне оптимальной и выше 112
Выводы 113
3 Теоретические исследования способов и средств мехажзации снижения уплотнения почвы 115
3.1 Теоретическое исследование способа снижения уплотнения почвы промораживанием 115
3.2 Теоретическое исследование технологического процесса работы бороздообразователя отвального плуга и обоснование рациональных параметров его рабочей поверхности 122
3.2.1 Анализ движения частицы почвы по рабочей поверхности бороздообразователя отвального плуга 123
3.2.2 Определение длины рабочей поверхности бороздообразователя 125
3.2.3 Определение тягового сопротивления бороздообразователя 128
3.3 Анализ технологического процесса работы комбинированного рабочего органа для основной безотвальной обработки почвы с дополнительным безотвальным поверхностным рыхлением 129
3.3.1 Определение рациональной рабочей длины ножа-щелереза для формирования надреза-щели неразрыхленной части пласта почвы над плоскорежущей лапой 129
3.3.2 Определение ширины захвата лапки щелереза-рыхлителя 134
3.3.3 Определение тягового сопротивления безотвального комбинированного рабочего органа 134
3.4 Теоретическое исследование технологического процесса работы орудия для мелкой осенней полосовой обработки почвы 135
3.4.1 Обоснование конструктивно-технологических параметров и тягового сопротивления переднего наклонного лемеха 135
3.4.2 Исследование процесса работы заднего наклонного лемеха 142
3.4.3 Тяговое сопротивление односторонней рыхлительной лапки 143
3.4.4 Обоснование конструктивно-технологических параметров катка с рыхляще-мульчирующими элементами 147
3.4.5 Обоснование кривизны передней режущей кромки рыхлящее мульчирующего элемента катка 148
3.4.6 Обоснование количества рыхляще-мульчирующих элементов на одной линии окружности катка 150
3.5 Теоретическое исследование технологического процесса снижения уплотнения почвы способом механического рыхления (следоразрыхлением) в следах движителей 156
3.5.1 Определение рационального расстояния от движителя трактора до рабочих органов следоразрыхлителя 157
3.5.2 Определение рациональной глубины рыхления уплотненного слоя почвы в следах движителей 162
3.5.3 Теоретическое исследование процесса работы следоразрыхлителя трактора для агрофона с базовой основной безотвальной обработкой почвы 164
3.5.3.1 Определение угла установки односторонней плоскорезной лапы в плане относительно фронта движения 165
3.5.3.2 Определение рационального количества прямолинейных зубьев зубового диска 167
3.5.4 Теоретическое исследование процесса работы следоразрыхлителя трактора для агрофона с базовой основной отвальной обработкой и оптимальной влажностью почвы 170
3.5.4.1 Определение рациональной схемы взаимной расстановки почвообрабатывающих ножей-щелерезов 171
3.5.4.2 Определение тягового сопротивления и конструктивных параметров ножа-щелереза 175
3.5.5 Теоретическое исследование процесса работы следоразрыхлителя трактора для агрофона с основной отвальной обработкой и влажностью почвы на уровне оптимальной и выше 177
3.5.5.1 Определение тягового сопротивления ножа-рыхлителя комбинированного рабочего органа следоразрыхлителя 177
3.5.5.2 Определение энергетической эффективности процесса рыхления уплотненной почвы в вертикальных лентах 179
3.5.5.3 Анализ процесса движения частицы почвы при взаимодействии с рабочей поверхностью лапки-рыхлителя 182
3.5.5.4 Обоснование параметров реактивного зубового диска комбинированного рабочего органа следоразрыхлителя 186
3.5.5.5 Обоснование параметров активного зубового диска комбинированного рабочего органа следоразрыхлителя 190
Выводы 191
4. Программа и методика экспериментальных исследований 193
4.1 Исследования физико-механических свойств почвы 194
4.1.1 Методика определения влажности, плотности и твердости почвы 195
4.1.2 Методика исследований напряженного состояния в почвенном горизонте 197
4.1.3 Методика лабораторных исследований физико-механических и реологических свойств почвы 198
4.1.4 Методика лабораторно-полевых исследований продуктивной способности почвы 200
4.2 Исследования способа снижения уплотнения почвы промораживанием 202
4.2.1 Методика лабораторно-полевых исследований способа снижения уплотнения почвы промораживанием 202
4.2.1.1 Методика определения влажности мерзлой почвы 202
4.2.1.2 Методика определения плотности мерзлой почвы 203
4.2.1.3 Оценка эффективности разуплотнения почвы 205
4.2.2 Методика определения зависимости продуктивной способности почвы разуплотненной промораживанием 208
4.2.3 Методика экспериментальных исследований снижения уплотнения почвы промораживанием при основной отвальной обработке почвы плугом с бороздообразователями 209
4.2.3.1 Методика лабораторно-полевых исследований по оптимизации конструктивно-технологических параметров бороздообразователя плуга 209
4.2.3.2 Методика полевых исследований бороздообразователя отвального плуга 214
4.2.4 Методика экспериментальных исследований снижения уплотнения почвы промораживанием при основной безотвальной обработке почвы плоскорезом глубокорыхлителем с безотвальными комбинированными рабочими органами 215
4.2.4.1 Методика определения качества крошения почвы 216
4.2.4.2 Исследования зависимости качества крошения почвы от ширины захвата лапки щелереза-рыхлителя 217
4.2.4.3 Методика полевых исследований плоскореза глубокорыхлителя с безотвальными комбинированными
рабочими органами 220
4.2.5 Методика экспериментальных исследований снижения уплотнения почвы промораживанием при использовании комбинированного орудия для осенней мелкой полосовой обработки 221
4.2.5.1 Исследования зависимости качества крошения почвы от угла крошения односторонней рыхлящей лапки 223
4.2.5.2 Методика проведения полевых исследований по энергооценке комбинированного орудия для мелкой осенней полосовой обработки почвы 225
4.3 Методика экспериментальных исследований способа и средств механизации снижения уплотнения почвы следоразрыхлением 227
4.3.1 Методика экспериментальных исследований снижения уплотнения почвы следоразрыхлителем при осенней основной безотвальной обработкой почвы 227
4.3.1.1 Методика лабораторно-полевых исследований 227
4.3.1.2 Методика проведения полевых исследований 234
4.3.2 Методика экспериментальных исследований следоразрыхлителя для снижения уплотнения почвы при оптимальной влажности с осенней отвальной обработкой почвы 237
4.3.2.1 Методика лабораторно-полевых исследований 237
4.3.2.2 Методика проведения полевых исследований 240
4.3.3 Методика экспериментальных исследований снижения уплотнения почвы следоразрыхлителем с основной отвальной обработкой почвы и ее влажностью на уровне оптимальной и выше 242
4.3.3.1 Методика лабораторно-полевых исследований 242
4.3.3.2 Методика полевых исследований 250
Выводы 254
5 Результаты и анализ экспериментальных исследований 256
5.1. Результаты исследований физико-механических свойств уплотненной почвы 256
5.1.1 Напряженное состояние и деформация почвы в почвенном горизонте от движителей трактора 257
5.1.2 Плотность и твердость почвы в почвенном горизонте после прохода движителей тракторов 258
5.1.3 Реологические свойства почвы, коэффициент внутреннего трения почвы, коэффициент внешнего трения почвы о сталь 261
5.1.4 Исследование эффективности прогнозирования результата снижения уплотнения почвы 263
5.2 Результаты и анализ эксперементальных рісследований способа и средств механизации снижения уплотнения почвы промораживанием 264
5.2.1 Результаты и анализ лабораторно-полевых исследований способа снижения уплотнения почвы промораживанием 264
5.2.2 Результаты и анализ экспериментальных исследований снижения уплотнения почвы промораживанием при основной отвальной обработке почвы плугом с бороздообразователями 267
5.2.2.1 Результаты и анализ лабораторно-полевых исследований 267
5.2.2.2 Результаты и анализ полевых исследований 273
5.2.3 Результаты и анализ экспериментальных исследований снижения уплотнения почвы промораживанием при основной безотвальной обработке почвы плоскорезом-глубокорыхлителем с безотвальными комбинированными рабочими органами 274
5.2.3.1 Результаты и анализ лабораторно-полевых исследований 274
5.2.3.2 Результаты и анализ полевых исследований 278
5.2.4 Результаты и анализ экспериментальных исследований снижения уплотнения почвы промораживанием при использовании комбинированного орудия для осенней мелкой полосовой обработки 280
5.2.4.1 Результаты и анализ лабораторно-полевых исследований 280
5.2.4.2 Результаты и анализ полевых исследований 284
5.3 Результаты и анализ эксперементальных исследований способа и средств механизации снижения уплотнения почвы следоразрыхлением 286
5.3.1 Результаты и анализ лабораторно-полевых исследований способа снижения уплотнения почвы следоразрыхлением 286
5.3.2 Результаты и анализ экспериментальных исследований снижения уплотнения почвы следоразрыхлением при осенней основной безотвальной обработке почвы 289
5.3.2.1 Результаты и анализ лабораторно-полевых исследований 289
5.3.2.2 Результаты и анализ полевых исследований 294
5.3.3 Результаты и анализ экспериментальных исследований снижения уплотнения почвы оптимальной влажности следоразрыхлением при основной отвальной обработке почвы 296
5.3.3.1 Результаты и анализ лабораторно-полевых исследований 296
5.3.3.2 Результаты и анализ полевых исследований 301
5.3.4 Результаты и анализ экспериментальных исследований снижения уплотнения почвы следоразрыхлителем с основной отвальной обработкой почвы и ее влажностью на уровне оптимальной и выше 302
5.3.4.1 Результаты и анализ лабораторно-полевых исследований 302
5.3.4.2 Результаты и анализ полевых исследований 309
Выводы 312
6 Экономическая эффективность способов и средств механизации для снижения уплотнения почвы 317
6.1 Экономическая эффективность способа снижения уплотнения почвы промораживанием 317
6.2 Экономическая эффективность снижения уплотнения почвы следоразрыхлением 328
Выводы 333
Общие выводы 334
Литература
- Анализ существующих способов снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин
- Следоразрыхлитель трактора для агрофона с основной безотвальной обработкой почвы
- Анализ движения частицы почвы по рабочей поверхности бороздообразователя отвального плуга
- Методика исследований напряженного состояния в почвенном горизонте
Введение к работе
Актуальность проблемы. Основной задачей сельскохозяйственного производства является обеспечение страны высококачественными продуктами питания и сырьем отраслей перерабатывающей промышленности.
В соответствии с планами реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК», одним из основных направлений является развитие отрасли растениеводства, которая должна обеспечивать получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур с использованием современных технологий и средств механизации.
Производство растениеводческой продукции предусматривает современные многооперационные технологии возделывания сельскохозяйственных культур с применением высокопроизводительных энергонасыщенных тракторов, имеющих большую эксплуатационную массу, высокое удельное давление движителей на почву и соответствующего набора широкозахватных многоопорных сельскохозяйственных машин, уплотняющих почву за вегетационный период на площади до 60... 80% до уборки и до 98% после уборки урожая.
Уплотняющее действие от колес и гусениц распространяется до 1 м в глубину, до 0,8 м в поперечном направлении и может сохраняться до следующего вегетационного периода. Качество работы при выполнении технологических операций на уплотненных участках по следам сельскохозяйственных тракторов и машин, как правило, не отвечает агротехническим требованиям. На поверхности поля остаются следы глубиной до 0,12 м, по которым плотность почвы существенно превышает оптимальные значения, не выдерживается заданная глубина обработки культиваторами, до 48% семян зерновых культур не заделываются на заданную глубину, увеличивается тяговое сопротивление рабочих органов, работающих на уплотненных участках, ухудшается качество уборочных работ, разрушается структура почвы, уменьшается урожайность зерновых культур. Недобор урожая от уплотнения почвы ежегодно по Российской Федерации составляет до 20...30 млн.т. и перерасход топлива до 2,5... 3 млн.т.
Наиболее интенсивно уплотняется в следах движителей физически спелая и более влажная почва на ранне-весенних полевых работах. Уплотняющее действие, создаваемое при весенне-полевых и летних работах, дополнительно увеличивается уборочно-транспортной техникой, сохраняется весь вегетационный период и усиливается засушливым климатом.
Применяемые в производстве способы и средства механизации разуплотнения почвы при осенних обработках позволяет разделить обрабатываемый слой на отдельные агрегаты различного размера, имеющих высокую плотность, намного превышающую её оптимальное значение. При недостатке осенне-зимней влаги, уплотненная почва не восстанавливает свои свойства за зиму посредством промораживания, после чего наблюдается кумулятивный характер изменения ее плотности в пахотном и подпахотном горизонтах. Сеществующие следоразрыхляющие устройства на весенне-полевых работах имеют невысокое качество крошения уплотненной почвы и выравнивания обрабатываемой поверхности.
При этом возникает необходимость создания условий для целенаправленного сбора и удержания осенне-зимней влаги, как в наиболее уплотненных слоях, так и во всем пахотном горизонте при различных видах осенней обработки почвы с целью снижения уплотнения почвы промораживанием, а также последующего поддержания заданного уровня плотности почвы в следах движителей тракторов при выполнении технологических операций на весенне-полевых работах по различным агрофонам качественным разуплотнением и выравниванием уплотненной почвы.
Поэтому тема, посвященная снижению уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин за счет разработки способов и средств механизации, обеспечивающих разуплотнение почвы, является актуальной и имеет важное хозяйственное значение.
Исследования проводились в ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА» в соответствии с заданием 02.01.03: «Разработать комплекс приоритетной почвообрабатывающей и посевной техники высокого технического уровня с оптимальным набором сменных рабочих органов, адаптированных к различным почвенным условиям», направленной на решение проблемы: «Научные основы формирования эффективной системы АПК» тематического плана Межведомственной координационной программы Фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001-2005 гг, а также согласно научно-исследовательской теме НИОКР ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА» «Разработка технологии и технических средств для разуплотнения почвы после проходов сельскохозяйственных тракторов и машин» (номер государственной регистрации 01.200506416).
Цель исследований. Снижение уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин за счет разработки способов и средств механизации, обеспечивающих разуплотнение почвы.
Объект исследований. Технологический процесс снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин, осуществляемый способами и средствами механизации, обеспечивающими разуплотнение почвы.
Предмет исследований. Закономерности и параметры функционирования способов и средств механизации, обеспечивающих разуплотнение почвы.
Методика исследований. В качестве методов и методик исследований использовались: системный и структурный анализы, математическая статистика и сравнительный эксперимент. Аналитическое описание технологических процессов выполнялось с использованием методов классической механики, математического анализа и математического моделирования с использованием теории оптимального управления процессами. Исследование разрабатываемых способов и средств механизации выполнялось в лабораторных, лабораторно-полевых и полевых условиях в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ и разработанными частными методиками. Обработка экспериментальных исследований проводилась на ПЭВМ с использованием программ MathCat, Excel. Экономическая эффективность предлагаемых разработок определялась по стандартной методике для научно-исследовательских работ и новой техники.
Научная новизна работы:
- новые способы осенней обработки почвы, обеспечивающие увеличение вла-гонакопления и повышение эффективности разуплотнения почвы промораживани-
ем, а также способ следоразрыхления; позволяющий достигать необходимое качество крошения и выравнивания почвы по различным агрофонам;
новые функциональные и конструктивно-технологические схемы средств механизации, обеспечивающие разуплотнение почвы;
функциональное обоснование и математическая модель оптимизации технологического процесса снижения уплотнения почвы;
теоретическое обоснование функционирования способов разуплотнения почвы промораживанием и следоразрыхлением;
теоретическое и экспериментальное обоснование рациональных конструктивно-технологических параметров средств механизации разуплотнения почвы.
Новизна предложенных способов и технических решений по снижению уплотнения почвы подтверждена пятью патентами (№2281633; №2281635; №2316918; №2142681; №2282958), а новизна отдельных конструктивных решений девятью патентами (№2081554; №2103849; №2103850; №2103851; №2143112; №2197797; №2199194; №2268562; №2316927) Российской Федерации на изобретение.
Практическая ценность. Результаты исследований позволили обосновать: технологический процесс снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин с применением разработанных способов и средств механизации; способы снижения уплотнения почвы промораживанием и следоразрыхлением; конструктивно-технические схемы средств механизации, обеспечивающих разуплотнение почвы; рекомендации по оптимизации технологических параметров способов и конструктивно-технологических параметров и энергетических показателей средств механизации, обеспечивающих разуплотнение почвы.
Использование данных способов и средств механизации, позволяет снизить уплотнение почвы промораживанием в пахотном горизонте и следоразрыхлением на глубину рыхления до уровня оптимального значения, что обеспечивает повышение урожайности зерновых культур соответственно до 10% и до 9,2%.
Реализация результатов исследований. Разработанные способы разуплотнения почвы промораживанием, следоразрыхлением и соответствующие им средства механизации (бороздообразующее устройство для отвального плуга; комбинированный рабочий орган для основной безотвальной обработки почвы; орудие для осенней мелкой полосовой обработки почвы; следоразрыхлители тракторов для различных агрофонов) внедрены в хозяйствах Сергиевского. Шигонского, Красноармейского, Кинельского районов Самарской области, в Поволжском научно-исследовательском институте селекции и семеноводства им. П.Н. Константинова. Результаты работы экспонировались на 11-ой Губернской выставке достижений сельскохозяйственного производства в 2007г. (г. Самара) и награждены дипломом и золотой медалью. Результаты исследований и технические решения одобрены ОАО «Казанское моторостроительное объединение», ЗАО «Петербургский тракторный завод» и приняты для разработки почвообрабатывающей техники. Агротехническая и энергетическая оценка работы средств механизации разуплотнения почвы подтверждена полевыми опытами ГНУ «Поволжская МИС». Результаты исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА» на кафедре «Сельскохозяйственные машины».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы заслушаны, обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Самарского СХИ (1983...1994г.г); ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА» (1995...2008г.г); Волгоградского СХИ (1984г); на научно-практической конференции Саратовского ИМСХ (1985г); ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И.Вавилова» (2006г.); на Всесоюзной конференции «Школа по зерну» (г. Москва, 1987г); на научно-практической конференции «Повышение эффективности сельскохозяйственной техники» (Уфа, 1988г.), на Международной научно-практической конференции (к 13-ой международной специализированной выставке «АГРО-2003») (Уфа, 2003г.); на 10-й научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья «Совершенствование и развитие мобильной энергетики в сельском хозяйстве» (Чебоксары, 1998г.), на 11-ой научно-практической конференции ВУЗов Поволжья и Юго-Нечерноземной зоны Российской Федерации «Совершенствование средств механизации и мобильной энергетики в сельском хозяйстве» (г. Рязань, 2000г.).
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
-
Новые способы и конструктивно-технологические схемы средств механизации, снижения уплотнения почвы.
-
Математическая модель процесса снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин (на примере промораживания).
-
Теоретическое обоснование конструктивно-технологических параметров средств механизации, обеспечивающих разуплотнение почвы.
-
Новые средства механизации, обеспечивающие разуплотнение почвы: бороздо-образователь плуга; комбинированный рабочий орган для основной безотвальной обработки почвы; орудие для осенней мелкой полосовой обработки почвы; следоразрыхлители тракторов для различных агрофонов.
-
Результаты лабораторных, лабораторно-полевых и полевых исследования по обоснованию способов и конструктивно-технологическких параметров и энергетических показателей средств механизации для снижения уплотнения почвы.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 62 печатных работах, в том числе 8 статей в изданиях рекомендуемых ВАК, получено 14 патентов РФ на изобретение, без соавторов опубликовано 23 работы. Общий объем публикаций 36,2 п.л., автору принадлежит 21,9 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка литературы из 289 наименований и приложения на 67 с. Работа изложена на 371 с, содержит 175 рис. и 20 табл.
Анализ существующих способов снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин
Использование данной сложной разработки намного увеличит себестоимость выполняемых работ.
Многоосные ходовые системы энергетических средств уменьшают удельное давления на почву, однако имеют более сложную конструкцию, а также возникает задача их годовой загрузки при эксплуатации [236]. При этом остается недостаточно изученным вопрос прохода последующего движителя по следу предыдущего без существенного дополнительного уплотнения.
Организационно-технологические мероприятия направлены на уменьшение числа проходов по полю машинных агрегатов. При этом комбинированные агрегаты включают в свой состав несколько машин, что приводит к увеличению числа опорных и опорно-приводных колёс и при реализации данного способа интенсивно увеличиваются удельная нагрузка на движители трактора [18; 25; 58; 70; 80; 245; 268].
Маршрутизация движения агрегатов позволяет применять широкозахватные агрегаты и уменьшить площадь уплотнения, но при этом число проходов по одной колее резко увеличивается, что приводит к интенсивному уплотнению в них почвы [9; 25; 102; 101; 264; 265].
Применение энерго и ресурсосберегающих технологий значительно уменьшает уплотнение почвы за счет сокращения числа проходов по полю, но при этом значительно увеличивается интенсивность применения средств защиты растений. Наиболее перспективным направлением является внедрение мостового земледелия, что позволяет полностью исключить влияние движителей машин на почву. Сдерживающим фактором в решении данного вопроса является дороговизна его реализации [51; 52; 103; 160].
Снижение уплотнения почвы от рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин решается совершенствованием их конструктивно-технологических параметров и применением современных материалов для изготовления их рабочих поверхностей. Вместе с тем, это решает вопрос уменьшения уплотнения почвы только в контакте с рабочей поверхностью. Процесс разуплотнения почвы является в настоящее время неотъемлемой составляющей современных технологий возделывания сельскохозяйственных культур.
Под разуплотнением почвы понимается разделение крупных глыб или уплотненных пластов почвы на отдельные структурно ценные почвенные агрегаты, а также увеличение их порового и капиллярного объема.
Для разуплотнения почвы правильное применение минеральных и органических удобрений, использование посевов многолетних трав позволяет за один сезон частично восстановить структуру почвы, однако для полного восстановления необходим длительный период и существенные материальные затраты [25; 31; 82; 107; 112; 118; 264; 268].
Разуплотнение пахотного и подпахотного горизонтов почвы проводится при осенней основной обработке и основной обработке с глубоким рыхлением. Данный способ позволяет не только разрыхлять уплотнённую почву до необходимой глубины, но и способствует влагонакоплению и последующему острукту-риванию промораживанием в зимний период. Однако данный способ не всегда обеспечивает полное разуплотнение в отдельных почвенных агрегатах, а процесс чизелевания является энергоемким и проводится не ежегодно.
Разуплотнение почвы промораживанием известно давно и дает необходимый эффект «идеального» разуплотнения почвы при наличии в ней необходимо количества влаги для исходной плотности почвы и соответствующего агрофона [14; 112; 167; 196; 231; 264; 289]. Сдерживающим фактором эффективности применения данного процесса является недостаточное количество исследований по рациональному обеспечению осенне-зимней влагой наиболее уплотненных слоев пахотного горизонта.
Предлагаемые современные способы с соответствующими средствами механизации для разуплотнения почвы не используют целенаправленно физические свойства почвы, направленные на её саморазуплотнение с использованием природных явлений. В тоже время, достаточно большое количество отечественных и зарубежных исследователей отмечают положительный эффект саморазуплотнения почв [277; 278; 279; 280; 281;]. Под саморазуплотнением почвы подразумевается ряд природных явлений и процессов, обеспечивающих разрыхление почвенных агрегатов различного размера, сопровождающихся увеличением количества пор. Основными из них является процессы "замерзание - оттаивание" и "набухание - высыхание". С точки зрения эффективности разуплотнения и эрозионной безопасности, процесс "замерзание-оттаивание" является «идеальным». Известно, что при замерзании воды объем ее увеличивается на 9... 11% в объеме [55; 259;260]. По мнению И.Б. Ревута основную роль в данном процессе играет замерзание свободной влаги в капиллярах, в которых кристаллы льда увеличивают размер пор, что обеспечивает разделение агрегатов на отдельности, а также подчеркивает о необходимости обеспечения почвы достаточным количеством влаги, так как сухая или переувлажненная почва эффективно не разуплотняется [177].
В частности, Д.В. Вершинин в своих работах по исследованию промораживания почвы отмечает, что оптимальное количество структурных фракций для черноземной суглинистой почвы находится в интервале влажности 22...23% [177]. A.M. Глобус приводит данные о разуплотнении почвы промораживанием, где эффективность процесса зависит от влажности [264]. Исследования В.А. Вторушина подтверждают результаты зимнего разуплотнения почвы [264]. Н.А. Качинский, на основании проведенных исследований, подчеркивает влияние на промораживание почвы рельефа местности, расположения склонов, которые различаются восприятием температур. При этом существенное влияние на промораживание оказывает растительный покров почвы, ее обработка, толщина снежного покрова, а также микрорельеф поверхности [68]. Определено, что разница расположения комков почвы в несколько сантиметров по высоте дает резкое различие в степени промораживания. Данное наблюдение объясняется различием площади поверхности, через которую действует холод и толщиной снежного покрова. На острукту-ривание почвы промораживанием оказывает характер замерзания воды, который во многом зависит от типа почвы и степени ее увлажнения. При невысоком увлажнении наличие и форму льда определяют с помощью приборов дающих увеличение. Наличие большей степени увлажнения позволяет визуально наблюдать воду в форме горизонтальных пластинчатых слоев льда. Доминирующее горизонтальное расположение пластинок льда Н.А.Качинский объясняет малой водоприницаемость тяжелосуглинистой подзолистой почвы, при которой верхний слой почвы, напитанный водой, не может удержать и постепенно инфильтрирует далее осеннюю влагу, которая по пустотам между комков почвы перемещается глубже и при небольших остановках растекается в основном в горизонтальном направлении, а морозы фиксируют ее в этих горизонтах [68]. Отмечается, что в целом, промораживание почвы способствует образованию почвенной структуры. Подтверждение эффективности промораживания почвы можно найти у Кина, проводившего опыты в Ротамстедской опытной станции в Англии [264]. Результаты опытов показали высокую эффективность разуплотнения промораживанием в холодную зиму, где получены агрегаты почвы оптимальных размеров, в отличие от мягкой, влажной зимы. Эти исследователи отмечают важность промораживания почвы тяжелого механического состава. Это можно объяснить способностью почвы впитывать неодинаковое количество влаги в зависимости от содержания в ней физической глины. При промораживании величина объемных и линейных деформаций в почвенных образованиях будет в большой степени определяться наличием поровой и капиллярной влаги [264].
Следоразрыхлитель трактора для агрофона с основной безотвальной обработкой почвы
В современных технологиях производства растениеводческой продукции почва, являющаяся основным средством производства, обладает определенным уровнем как эффективного, так и потенциального плодородия.
Существующие севообороты и технологии возделывания, определяющие условия культурного почвообразовательного процесса при воздействии на почву естественных и техногенных факторов, должны обеспечивать достижение высоких результатов с сохранением плодородного уровня почвы.
Широкое применение средств механизации в развитии современного земледелия приводит к интенсивному уплотнению почвы, что существенно изменяет ее свойства, уменьшает ее производительную способность, увеличиваются затраты на производство продукции.
Основными современными направлениями снижения уплотнения и повышения плодородия почвы являются её щадящее использование и минимизация уплотнения от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин, стремящиеся обеспечить оптимальные почвообразовательные процессы в течение всего вегетационного периода.
Для получения высоких урожаев с минимизацией уплотнения почвы, при динамичном оснащении сельскохозяйственного производства высокопроизводительной, энергонасыщенной техникой, необходимо разработать и внедрить ряд соответствующих мероприятий в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур с минимальными затратами.
Для реализации данного направления необходимо исследовать процесс уплотнения почвы движителями сельскохозяйственных тракторов и машин, свойства уплотненной почвы, разработать и внедрить, с учетом природных особенностей, обоснованный перечень способов и средств механизации.
Разнообразие природных и экономических условий предполагает наличие определенного спектра применяемых технологий возделывания культурных растений и соответствующего набора сельскохозяйственной техники, которые за вегетационный период вразличной степени уплотняют почву.
Снижение уплотнения почвы в этих условиях может быть достигнуто комплексным подходом в течение всего цикла полевых работ, обеспечивающим разуплотнение почвы в; осенне-зимний период с использованием природных явлений и последующей минимизацией интенсивного уплотняющего действия» особенно проявляющегося! на физически спелой и более: влажной почве, от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин при проведении весенне-полевых, а также осенне-полевых работ.
Основная, отвальная, безотвальная J и мелкая обработки в.осенний период осуществляют механическое рыхление пахотного горизонта, что недостаточно для восстановления оптимума плотности почвы. Это достигается в осенне-зимний; период промораживанием уплотненной почвы при ее оптимальной влажности.
Эффективность данного процесса достигается при создании условий накопления в уплотненных слоях почвы достаточного количества влаги. Преимуществом данного природного процесса, по сравнению с механической обработкой, является «идеальное» образование новых, только структурно ценных агрегатов с оптимальной плотностью, что дает при последующих технологических процессах возможность экономить затраты энергии; труда на обработку почвы и: эффективно использовать посевные материалы.
Обеспечение высокой производительности и своевременного выполнения технологических, процессов достигается при работе современных сельскохозяйственных агрегатов, как правило, применением маневренных колесных, все более энергонасыщенных и тяжелых тракторов с. высоким удельным давлением движителей на почву, уплотняющих площадь поля за вегетационный период до 50...70% на большую глубину. Высокая эффективность применяемых технологий, зависящая от качества выполнения технологических процессов, во многом определяется состоянием поверхностного слоя почвы после прохода движителей сельскохозяйственной техники и, в первую очередь, тракторов, неизбежно уплотняющих почву и оставляющих следы на поверхности поля, особенно на весенне-полевых работах при физически спелой и более влажной почве по различным агрофонам.
Рисунок 2.1- Пути снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин Восстановление свойств почвы по следам движителей создаст условия для качественного посева и последующей оптимальной динамики изменения плотности почвы и развития культурных растений.
Создание оптимальных свойств почвы и ровного профиля поверхности поля после прохода движителей тракторов позволит снизить её уплотнение и обеспечить условия для качественного выполнения последующих технологи- ческих процессов по уходу за культурными растениями и уборке урожая, эффективно использовать посевные материалы, уменьшить энергозатраты на последующие виды работ.
На основе проведенного анализа, можно выделить следующие пути снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин (рисунок 2.1): 1. Разуплотнение и оструктуривание уплотненной почвы, .на базе имеющихся приемов ее осенней обработки, с использованием промораживания; 2. Обеспечение оптимальной плотности и выравнивание поверхности почвы в следах движителей сельскохозяйственных тракторов следоразрых-лением по различным агрофонам.
Для достижения предполагаемых результатов при реализации путей снижения уплотнения почвы движителями сельскохозяйственных тракторов и машин в современных технологиях возделывания необходима разработка и внедрение соответствующих способов и средств механизации с оптимизацией их технологических и конструктивно-технологических параметров на основе использования свойств почвы и природных процессов.
Анализ движения частицы почвы по рабочей поверхности бороздообразователя отвального плуга
Расстояние L определяется плотностью почвы до и после уплотнения движителем трактора, скоростью движения агрегата, величиной контактного давления движителя трактора, заданной глубиной рыхления уплотненной почвы, коэффициентом объемного смятия, коэффициентом распределения напряжений в почвенном горизонте, соотношения площадей 5 , и S2, от параметров рабочего органа следоразрыхлителя и коэффициента трения почвы о сталь.
Наиболее полное разуплотнение почвы в следах движителя необходимо выполнять на всю глубину уплотнения, равную высоте эффективного слоя почвы hQ до глубины, за пределами которой действуют только упругие деформации (отсутствие уплотнения), при напряжениях в почвенном массиве в пределах а) =5...20КПа [67]. При использовании современных энергонасыщенных тракторов, с высоким контактным давлением движителей на почву, высота эффективного слоя почвы h0 достигает 0,60. ..0,90 м. Следоразрыхление на такую глубину не целесообразно из-за больших энергозатрат. При рыхлении уплотненной почвы напряжения на рабочих поверхностях существенно превышают величины а и сопоставимы с нормальными напряжениями на этой глубине от движителей трактора. Поэтому обоснование рациональной глубины рыхления уплотненной почвы по следу движителя необходимо выполнить с учетом реального напряженного состояния в почвенном пласте от рабочей поверхности рабочего органа (рисунок 3.24).
Нормальные напряжения в почвенном пласте в почвенном пласте от рабочей поверхности рабочего органа в момент разрушения определим в соответствии с [83] по формуле: где Рл - усилие перемещения лемеха, кН; х - расстояние по горизонтали от точки приложения к лемеху результирующей силы до линии скола пласта, м; z - координата в перпендикулярном направлении рассматриваемой точки относительно линии действии результирующей силы Рл, м; 8- угол между плоскостью скола и направлением действия результирующей силы Рл, град. Выражение (3.143), с учетом угла крошения и высоты подъема пласта почвы плоскорезной лапы, можно представить следующим образом:
Величина глубины рыхления уплотненной почвы в следах движителя трактора определится в зависимости от свойств почвы, интенсивности ее уплотнения и напряженного состояния в обрабатываемом пласте почвы от рабочей поверхности рабочего органа. Ширина захвата при рыхлении определяется величиной уплотнения почвы вне следа [206].
Теоретическое исследование процесса работы следоразрыхлителя трактора для агрофона с базовой основной безотвальной обработкой почвы
Особенностью процесса следоразрыхления для условий работы по агрофону с базовой основной минимальной обработкой почвы является наличие в поверхностном слое стерневых остатков, которые в уплотненной почве в следах движителей существенно снижают возможность качественного рыхления, увеличивают сгруживание стойками рабочих органов.
Применение в предлагаемом следоразрыхлителе рабочих органов с односторонними лапами и стойками установленными по краям следа, исключают сгруживание, а качество крошения обеспечивается плоскорезной лапой с рыхлителями и ротационными зубовыми дисками.
После прохода движителей, особенно колесных, плотность релакси-рующей почвы в диапазоне разгрузки по ширине следа на различных глубинах почвенного горизонта неодинакова. Поэтому для обеспечения одинакового равномерного давления со стороны пласта почвы на рабочую поверхность плоскорезной односторонней лапы необходимо обосновать угол ее установки в плане у относительно фронта движения. При большем периоде релаксации почвы в центре следа стойка лапы расположится за движителем впереди по кромке следа, а ее край дальше от движителя по центру, что и создаст одинаковые условия взаимодействия по ширине рабочей поверхности плоскорезной лапы с почвой.
Пусть исходная максимальная величина плотности почвы после про " г" max хода движителя на г- ои глубине по центру следа составляет рц , а по краю - р , причем Рц р (рисунок 3.25). Изменяется значение плотности /? релаксирующей почвы по экспоненциальному закону (3.130). При разнице исходных максимальных плотностей почвы в центре и по краю следа после прохода движителя, почва с меньшей плотностью будет восстанавливаться до определенной величины быстрее на At:
Рациональное количество зубьев на зубовых дисках обеспечивает не только необходимое качество крошения уплотненной почвы, но и оптимальное тяговое сопротивление. Известно, что количество зубьев на диске зависит от размера участка почвы, обрабатываемого одним зубом [75; 76].
Зубовые диски входят в состав комбинированного рабочего органа следо-разрыхлителя, поэтому для достижения необходимого качества рыхления уплотненной почвы, на основании проведенных факторных экспериментов, обоснованы конструктивно-геометрические параметры плоскорезной лапы и рыхлителей и их взаимной расстановки с зубовыми дисками. Результаты предварительных исследований показали лучшую эффективность рыхления уплотненной почвы при расположении зубовых дисков за максимальной ординатой обрабатываемого пласта почвы над рыхлителями плоскорезной лапы. При этом процесс рыхления почвы зубом выполняется в секторе ОВД с углом // (рисунок 3.26), где точка В - начало входа, откуда зуб, проходя между рыхлителей создает напряженное состояние, деформирует и рыхлит почвенные агрегаты. Примем, что, для минимизации количества зубьев п3 и напряженного состояния почвы, в секторе ОВД при рыхлении должен находиться один зуб, поэтому:
Методика исследований напряженного состояния в почвенном горизонте
В процессе движения агрегата на разных глубинах обработки от 0,06 до 0,12 м с шагом 0,02 м, была проведена видеосъемка, из которой затем распечатывались кадры. На кадрах зафиксирована траектория движения пласта, относительно масштабных линеек. Используя фотоснимки, были выполнены замеры параметров движения пласта почвы относительно лапки-рыхлителя. Данные заносились в журнал наблюдений, по которым после статистической обработки строились профили поверхности почвы при обработке ножами-рыхлителями.
Для исследования зависимости качества крошения почвы от количества зубьев на диске реактивной батареи были изготовлены сменные зубовые диски с числом зубьев 5, 7, 9, 11, 13 штук (рисунок 4.42).
Лабораторно-полевые исследования проводились следующим образом. На экспериментальный следоразрыхлитель устанавливались ножи-щелерезы, ножи-рыхлители и реактивные дисковые батареи со сменными зубовыми дисками с определённым количеством зубьев. Подготовленный агрегат проходил отрезок поля равный 50 м, с которого, по разрыхлённым следам, брались пробы в трёхкратной повторности на определение качества крошения почвы, затем изменяли глубину обработки и опыт повторялся. После этого устанавливались диски с другим количеством зубьев и эксперимент повторялся.
При проведении лабораторно-полевых исследований по определению зависимости качества крошения почвы от количества зубьев на диске реактивной батареи, изменялись следующие параметры: количество зубьев реактивной батареи со сменными зубовыми дисками 5, 7, 9, 11, 13 штук; глубина обработки 0,06; 0,08; 0,1 м. Скорость движения агрегата не изменялась, была принята 2,78м/с.
Взятые пробы обрабатывались по методике изложенной в разделе 4.2.2.1. Затем обработанные данные заносились в журнал наблюдений и после статистической обработки строились графические зависимости качества крошения почвы от количества зубьев на диске реактивной батареи.
Для определения конструктивно-технологических параметров взаимодействия ножей-рыхлителей и реактивной батареи зубовых дисков программой исследований предусматривалось использование теории многофакторного планирования экспериментов.
Исследования влияния конструктивно-технологических параметров взаимодействия ножей-рыхлителей и реактивной батареи зубовых дисков на качество крошения почвы проводились на экспериментальном следоразрыхлителе в полевых условиях.
На основании результатов предварительных исследований были установлены факторы, влияющие на качество крошения почвы экспериментальным следоразрыхлителем оснащённым ножами рыхлителями и реактивными зубовыми дисками.
Схема установки ножа-рыхлителя и реактивных зубовых дисков: L — расстояние от ножа-щелереза до лапки-рыхлителя; В - расстоянии от центра вращения реактивного диска до лапки ножа-рыхлителя по горизонтали; Н — расстоянии от центра вращения реактивного диска до основания ножа-рыхлителя по вертикали
За переменные факторы, оказывающие наиболее существенное влияние на степень крошения почвы, были приняты (рисунок 4.43): Серии опытов реализовывались согласно симметричному некомпозиционному квази — D — оптимальному плану Песочинского. За критерий оптимизации выбрано качество крошения почвы. Результаты реализации многофакторных экспериментов обрабатывались по методике изложенной в [131].
Одними из основных конструктивно-технологических параметров оказывающих влияние на работу следоразрыхлителя являются параметры, определяющие положение активной батареи зубовых дисков относительно реактивной батареи зубовых дисков, которые определялись с использованием теории многофакторного планирования экспериментов.
Исследования влияния конструктивно-технологических параметров взаимодействия реактивных зубовых дисков с активными зубовыми дисками на качество крошения уплотнённой почвы проводились на экспериментальном следоразрыхлителе в полевых условиях.
На основании результатов предварительных исследований были установлены основные факторы, влияющие на качество крошения почвы комбинированным рабочим органом экспериментального следоразрыхлителя оснащённого ножами-рыхлителями, реактивными и активными зубовыми дисками.
Важнейшими показателями для оценки следоразрыхлителя с комбинированными рабочими органами является: тяговое усилие, скорость движения. Данные показатели определялись в соответствии с рекомендациями [141]. При проведении испытаний следоразрыхлитель оснащался: ножами-рыхлителями; ножами-рыхлителями и реактивной батареей зубовых дисков; ножами-рыхлителями, реактивной и активной батареей зубовых дисков.
При глубине обработки от 0,06 до 0,12м с шагом 0,02м и на четырёх скоростях от 2,22 до 3,89м/с. Частота вращения активных зубовых дисков не изменялась и была равна 5,72с"1 при частоте ВОМ трактора 9с"1.
Для проведения эксперимента следоразрыхлитель с комбинированными рабочими органами навешивался на трактор МТЗ-80 оснащённый приборами ФГУ «Поволжская зональная МИС»: регистрирующей аппаратурой ЭМА-П (№116) (рисунок 4.45, 4.46а), тензодатчиками и токосъёмниками (рисунок 4.466) на валах полуосей задних ведущих колёс трактора.
Исследования проводились в 2004...2006 году на полях ГНУ «Поволжский научно-исследовательский институт селекции и семеноводства им. П.Н. Константинова». Опыты проводились в соответствии с требованиями стандартов СТО АИСТ 4.2-2004 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и орудия для поверхностной и мелкой обработки почвы. Методы оценки функциональных показателей», ПГР 10 3.8-2000 «Техника сельскохозяйственная. Методы определения условий испытания» и ОСТ 10 5.1-2000 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины посевные. Методы оценки функциональных показателей» [155; 182]. Повторность опытов - четырёхкратная. Экспериментальный следоразрыхлитель агрегатировался с трактором МТЗ-80 и сеялкой СЗ-5,4.
