Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1. Исторические развитие и задачи обработки почвы 13
1.2. Вред сорной растительности 16
1.3. Причины засоренности полей 21
1.4. Химические способы борьбы с сорняками и афобиологические последствия гербицидных нагрузок в технологиях 24
1.4.1 Сроки и скорость нейтрализации химических средств в почве 24
1.4.2. Влияние химических препаратов на экологию и здоровье человека 25
1.4.3. Механизм действия химических реагентов 26
1.4.4. Технологические качества урожая при интенсивном применении гербицидов в период вегетации 27
1.4.5. Мифация экологически вредных веществ в продуктах переработки урожая сельскохозяйственных культур 29
1.5. Механические способы борьбы с сорняками 33
Цель и задачи работы 42
2. Теоретические предпосылки сепарации почвы и сорняков в технологических операциях 44
2.1. Агрофизические и технологические основы повышения качества обработки почвы и борьбы с сорняками методом сепарации ... 44
2.2. Показатели сепарирующей способности почвообрабатывающих машин 53
2.3. Параметры технологического процесса ротационного катка - сепаратора 56
Выводы 59
3. Программа и методика экспериментальных исследований 60
3.1. Программа исследований 60
A. Лабораторные опыты 60
Б. Полевые и технологические опыты 60
B. Специальные опыты 61
3.2. Характеристика условий исследования 61
3.3. Характеристика объектов исследования 69
3.3.1. Каток-сепаратор тяжелый прицепной ЗКСП-1,5Т 69
3.3.2. Рабочий процесс сепарирующих рабочих органов 71
3.3.3. Каток-сепаратор прицепной КСП-1, 5 с балластным ящиком 76
3.3.4. Культиватор паровой КПС-4Г с катком-сепаратором 76
3.3.5. Культиватор тяжелый КТ-3,9Г с катком-сепаратором 77
3.3.6. Культиватор противоэрозионный КПЭ-3,8 с игольчатым сепаратором 78
3.3.7. Навесные катки-сепараторы КСН-6,2 78
3.3.8. Штанговые рыхлители к отвальным плугам 78
3.4. Приборы и аппаратура 82
3.5. Регистрация опытных данных и их математическая обработка 83
4. Результаты экспериментальных исследований 84
4.1. Характеристика технологии 84
4.2. Результаты испытаний машин и анализ качественных показателей их работы 86
4.3. Показатели качества работы агрегатов УПК-4Г и УПК-4П на основной и предпосевной подготовке почвы 92
4.4. Агротехнические показатели штанговых плугов 94
4.5. Технологические исследования 97
4.6. Энергетическая оценка машин 104
4.7.Оценка коэффициента сепарации мелкозема по глубине пахотного горизонта 106
4.8. Моделирование сепарирования почвы на меченых
почвенных фракциях 108
4.9. Влияние скорости движения катка-сепаратора на глубину обработки почвы 109
5. Реализация результатов исследования и их эффективность ПО
5.1. Реализация результатов исследования 110
5.2. Технико-экономические предпосылки безгербицидной технологии и машин для сепарации почвы и сорняков 116
5.3. Оценка эффективности отдельных машин с сепарирующими рабочими органами 118
5.4. Рациональные схемы технологии обработки почвы с применением сепарирующих рабочих органов 123
Выводы и рекомендации для производства 125
Литератур а 127
Приложени я 140
- Исторические развитие и задачи обработки почвы
- Агрофизические и технологические основы повышения качества обработки почвы и борьбы с сорняками методом сепарации
- Параметры технологического процесса ротационного катка - сепаратора
- Характеристика условий исследования
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в практику земледелия США, Германии, Голландии, Франции, Италии, Бельгии и других зарубежных стран широко внедряют экологически чистые энергосберегающие технологии производства продуктов питания. Они направлены на охрану здоровья граждан этих стран, увеличение продолжительности жизни людей, сохранение экологической безопасности окружающей среды [149, 150]. Экологически чистые технологии выращивания урожая сельскохозяйственных культур в фермерских хозяйствах зарубежных стран предусматривают альтернативное применение безопасных способов борьбы с сорняками, постепенное сокращение и полное исключение гербицидов и других химических средств из технологического баланса. Гербицидная технологическая нагрузка (грамм / на гектар) является основным показателем экологической опасности в сельскохозяйственном производстве и привлекает внимание ученых, экологов, медицинских работников, технологов, экономистов. Она влияет прежде всего на репродуктивное здоровье человека и рождаемость детей, [65,66]. В этой связи производство и применение в сельском хозяйстве синтетических препаратов, в том числе, гербицидов, всегда было и остается противоестественным коммерческим явлением, опасным и недостаточно изученным средством воздействия на растительные организмы, окружающую среду и человека.
В современном земледелии и растениеводстве затраты на гербициды, технику и технологию их внесения составляют от 2 до 4,5 тыс.рублей на гектар. Однако их действие не всегда обеспечивает уничтожение сорняков и высокий урожай. Многолетний опыт применения гербицидов в нашей стране показал, что эта экологически опасная технология получения урожая так и не вывела ведущие отрасли растениеводства на высокие экономические рубежи, а сейчас для многих хозяйств она является весьма дорогостоящей и неприемлемой.
Первой исходной научной теоретической и практической базой для разработки новых современных технологий является, прежде всего, экологическая безопасность и чистота урожая зерновых культур, сахарной свеклы, картофеля, овощей, кормов и продуктов питания.
Второй предпосылкой является экономическая составляющая, предусматривающая снижение затрат труда, энергии и средств на производство сельскохозяйственной продукции [1], [2], [3], [4], [9], [17], [55], [71], [109], [147]. Учеными и производственниками накоплен значительный отечественный и зарубежный опыт экологически безопасной борьбы с сорняками механическими и другими способами и средствами.
В последние десятилетия в ряде регионов России возникла опасность разрушения и недостаточного воспроизводства энергетических ресурсов и сельскохозяйственной техники. В основных отраслях АПК сформировался труднопреодолимый дисбаланс спроса и предложения научно-технических новшеств. Чтобы преодолеть такого рода несбалансированность на региональном уровне необходимо активизировать научные поисковые исследования и спрос на научно-технические новшества, отвечающие современным требованиям и состоянию отраслевой экономики в области механизации земледелия и растениеводства.
Повышение уровня механизации сельскохозяйственного
производства, и прежде всего, при возделывании основных полевых культур должно обеспечивать экологическую безопасность, снижение энергоемкости производства сельскохозяйственной продукции и ее рентабельность и осуществляться на основе применения технологий и машин многофункционального профиля. Мировая практика ведения сельского хозяйства и научные исследования показывают, что задача получения высоких и устойчивых урожаев (65-70 центнеров зерна с гектара) функционально связана с уровнем механизации земледелия и требует затрат 340-350 кВт-ч механической энергии на гектар посевной площади. Применительно к уровню 1990 года, в ЦЧР максимальная энергоемкость технологических процессов в земледелии составляла около 65 — 70 кВт-ч на гектар посевной площади, что в 4-5 раз меньше чем в аграрном секторе ведущих стран мира, а в настоящее время она стала еще ниже.
Соответственно у нас был ниже и урожай основных полевых культур. При этом удельные затраты энергии на единицу производимой продукции ( кВт-ч /на ц урожая) у нас и за рубежом примерно равнозначны. Однако при низких урожаях на наших почвах и малом энергопотреблении невозможно развивать экономику в АПК. Энергосберегающие технологии предусматривают рациональное использование энергетических и материальных средств, при котором достигается максимальный урожай и рентабельность производства сельскохозяйственной продукции [120, 121].
В настоящей работе разработаны и предложены принципы обработки почвы и механической борьбы с сорняками под основные культуры в экстрематьных и нормальных условиях Центрально -Черноземного региона, установлены закономерности синтеза технологий сепарации почвы и сорняков и системы машин с высокими качественными эксплуатационно-технологическими показателями. Она направлена на получение рациональной структуры обрабатываемого слоя и снижение засоренности полей.
Работы выполнена в рамках реализации региональной научно технической программы "Реконструкция и развитие сельскохозяйственного машиностроения на промышленных предприятиях Курской области на 1998-2005 г.г.". Цель и задачи работы
Цель исследования - повышение качества и эффективности технологии обработки почвы и механической борьбы с сорняками в экстремальных и нормальных условиях Центрально-Черноземного региона.
Задачи работы сводятся к следующему:
1. Разработке научных предпосылок и обоснованию схем обработки сухих глыбистых почв сепарирующими рабочими органами в условиях недостаточного увлажнения.
2. Изысканию и синтезу технологических процессов механической борьбы с сорняками агротехническими средствами и снижению гербицид ной нагрузки на гектар посевной площади.
3. Выбору конструктивно-технологических схем и обоснованию комплекса машин, обеспечивающих повышение качества обработки почвы, снижение засоренности полей в условиях дефицита влаги.
4. Оценке энергозатрат и эффективности внедрения технологии и машин в производство.
Объект исследования - технологические процессы обработки почвы и борьбы с сорняками многофункциональным агрегатами и сепарирующими рабочими органами.
Предмет исследования - закономерности сепарирования почвы и сорняков в обрабатываемом слое.
Методы исследования — в работе использованы ГОСТы, ОСТы, отраслевые нормативы, типовые методы испытания новой техники в системе машиноиспытательных станций, частные методы оценки технологии и обоснования средств механизации обработки почвы, специальные приемы и оборудование для получения исходной научной информации. Научная новизна:
- предложены и разработаны технологические процессы глубокой и поверхностной обработки почв путем сепарации верхнего слоя и углубления пахотного горизонта в условиях засухи;
- установлены закономерности сепарирования почвы и сорняков на операциях основной и предпосевной обработки почвы;
- обоснован комплекс машин и рабочих органов для обработки сухих глыбистых почв в условиях ЦЧР.
На защиту выносятся:
1, Энергосберегающая технология обработки глыбистых почв и уничтожения сорняков, по новому раскрывающая закономерности формирования качественных показателей обрабатываемого пласта и снижения засоренности полей в почвенно-климатических условиях Центрально-Черноземного региона.
2. Комплекс машин и рабочих органов для реализации энергосберегающей технологии обработки почвы и результатов их испытаний.
Практическая значимость работы
Сельскохозяйственному производству предложены более эффективные энергосберегающие технологии обработки почвы и комплекс машин и рабочих органов для их осуществления. Разработанные технологии решают проблему крошения пласта на ценные агрономические функции по всей глубине пахотного слоя, рационального распределения в нем почвенных фракций, вычесывания вегетирующих и нитевидных проростков сорняков на поверхность поля, снижают затраты на подготовку почвы в засушливых экстремальных условиях ЦЧР. Реализация результатов исследования
Результаты исследований использованы при разработке региональной научно-технической программы "Реконструкция и развитие сельскохозяйственного машиностроения на промышленных предприятиях Курской области на 1998-2005 г.г.". Они реализованы в конструкциях машин, выпускаемых АО "Элеватормельмаш", АО "Станкостроительный завод". Комплексы включены в зональную систему машин Курской области на 2002-2005 г.г. Они внедрены в ОПХ МИС и хозяйствах Курской области. Подготовлены и изданы рекомендации для специалистов АПК.
Апробация
Основные результаты и положения диссертационной работы доложены и одобрены в МСХ РФ в 2002-2003 г.г., в АПК и правительстве Курской области в 2000-2004 г.г., на семинарах специалистов и ученых Курской области и ЦЧ МИС в 1998-2004 г.г., на научно-практических конференциях Курского государственного технического университета, на научно-практических конференциях и заседаниях головного научно-технического центра "СЕЛЬХОЗМАШ" Курской области в 1999-2003 г.г., в Мантуровском и Конышевском районах области.
Публикации
По материал исследований опубликовано семь работ.
Объем и структура диссертационной работы
Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы и рекомендации для производства. Она изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 13 рисунков, 29 таблиц и приложения. Список литературы включает 152 наименования.
Исторические развитие и задачи обработки почвы
Обработка почвы - наиболее древний промысел и обобщённый исторический показатель деятельности человека на земле. На пирамидах Хеопса, существующих более 7 тысяч лет, древнейших памятниках Этрурии, монетах античной культуры изображены конструкции почвообрабатывающих орудий. Эволюция развития технологии и почвообрабатывающей техники достаточно консервативна и уходит в глубь истории Египта, Индии, Средней Азии, государств Ближнего Востока. На разных исторических этапах развития истории человеческого общества изменялись естественнонаучное содержание и социально-экономические задачи обработки почвы.
Под влиянием учёных Ч.Дарвина, Л. Ластера, В.В.Докучаева, была частично сформулирована и доказана равнозначность всех факторов (воды, тепла, света и элементов питания) для жизнедеятельности культурных растений. Все это изменяло теорию обработки почвы, как биологического объекта. Наиболее динамичный этап в развитии теории и практики земледелия начался во второй половине XIX века. Он характеризуется крупными исследованиями и созданием теории сельскохозяйственных машин (В.П. Горячкин, [41]). Были открыты закономерности синтеза вещества зелёными растениями. Изучался почвообразовательный процесс. Совершенствовались технологические схемы обработки почвы. Разрабатывались основы микробиологии и физики почв [27, 28, 29]. Изучались его агрофизические свойства почвы и было доказано влияние качественной обработки почвы и её структуры на урожай, [30, 31] , Изучалось значение удобрений для культурных растений. Неизмеримо возросло влияние теоретических основ земледелия на сельскохозяйственное производство. Существенно изменились и задачи обработки почвы. Сложившиеся региональные системы земледелий стали требовать творческого подхода к решению проблем обработки почвы и созданию необходимой для развития производства почвообрабатывающей техники [16,19,22]. Большинство из них направлены на улучшение физического состояния почвы, создание наиболее благоприятных условий для роста и развития культурных растений. Необходимым качеством обработки почвы является крошение её на комки размером от 0,25 до 10-20 мм с незначительным содержанием пыли (И.Б. Ревут [118, 119]).
В.П. Вершинин [28], приходит к выводу о необходимости крошения почвы на мелкокомковатую структуру с тщательным перемешиванием её пока ещё не существующими, специальными орудиями. В.Р.Вильяме [30,31] связывает обработку почвы с повышением производительности труда в сельскохозяйственном производстве, сохранением плодородия обрабатываемого слоя, борьбой с сорняками и энтомовредителями. Он также указывает на равнозначность для растений всех факторов жизнедеятельности, направленных на повышение плодородия почвы и урожая сельскохозяйственных культур.
СВ. Нерпин и А.Ф.Чудновский [104] установили влияние рыхления на тепловые свойства почвы. А.А. Бей [9, 10], В.А. Белолипский [11], А.А.Будаговский [13], Е.В. Грызлов [44] считают, что одной из главных задач обработки почвы является профилактика водной и ветровой эрозии. И.К. Макарец [94,95. 96], Г. Конке и А. Бертран [80] доказали целесообразность создания на поверхности комковатой структуры. Исследованиями В.Я. Котельникова [89] установлено повышение зимостойкости посевов на почвах, обработанных сепараторами. При этом расположение узла кущения изменялось по глубине. И.С.Шатилов [2, 146] связывают обработку почвы с комплексом агрофизических и технологических задач; а) регулирование биологических процессов в почве путём изменения параметров пласта; б) утилизация осенне-зимних осадков и снижение непродуктивных потерь влаги; в) снижение энергии стока и накоплением влаги в корне обитаемом слое почвы; г) очистка почвы от сорняков; д) аэрацией почвы и регулированием состояния почвенной влаги путём создания уплотнённых прослоек в толще обрабатываемого пласта. Н.А.Качинский, [73], В.В.Квасников, [74], Конке, Г,Бертран, [80], В.Я Котельников., М.Н. Жердев [85, 86, 89, 100, 110], Мичурин Б.Н. [102] Долгов СИ., [53], СВ. Нерпин, А.Ф.Чудновский , [104] , А.Ф.Вадюнина, [19], В.В.Охотин, [111], Л.М.Пешковский и Перескокова Т.М [113], М.Н.Польский, [117], И.Б.Ревут ,[118, 119], A.G.Buhr [150], Осичук СА [108], M.F. Чижевский А.Я. [145] и др. обобщили агрофизические показатели почвы и пришли к выводу, что наиболее рациональней схемой обработки является такое сложение рыхлого слоя, у которого верхний горизонт состоит из крупных фракций, пропускающих осадки в толщу пахотного слоя, а нижний горизонт образован из мелкокомковатой зернистой структуры, удерживающей влагу капиллярными силами. При этом крупные фракции уменьшают испарение влаги поверхностью поля и перекрывают капиллярный ток её в верхний горизонт. При сепарации возрастает пористость пласта, влагоёмкость, аэрация и другие свойства [5, 6, 7, 11, 12]. В основу предлагаемой технологии и положена эта схема сепарации и обработки почвы на глубину 10-35 сантиметров.
На основании анализа теоретических исследований и практического опыта наиболее общие задачи обработки почвы можно сформулировать так: 1. Создание рыхлого слоя, состоящего из фракций 0,25-10 мм, с перераспределением крупных в верхний, а мелких - в нижний горизонт. 2. Профилактика водной и ветровой эрозии почв. 3. Регулирование теплового, воздушного и водного режима почвы, создание уплотнённых прослоек в зоне укладки семян, а на поверхности -мульчирующего слоя. 4. Повышение плодородия почвы и наиболее полное использование веек факторов жизнедеятельности культурными растениями.
Агрофизические и технологические основы повышения качества обработки почвы и борьбы с сорняками методом сепарации
Рабочие органы сельхозмашин активно формируют структуру и строение почвенного пласта, делают более доступными для культурных растений элементы питания, воздух, воду, тепловую и световую энергию, регулируют деятельность и активность почвенной микрофлоры. Они раскрывают эффективное плодородие почв и влияют на урожай сельскохозяйственных культур в зависимости от качества крошения и доступности и использования элементов питания культурными растениями. Поэтому одним из важнейших показателей механической обработки почвы и оценки машин является рациональный размер фракций, слагающих рыхлый слой. Современные суждения об оценке размеров почвенных частиц в агрономической литературе неоднозначны. Так В.Р. Вильяме [30] считал наиболее ценными фракции диаметром от 1 до 10 мм, а по ним определял качество обработки. Частицы размером менее 1 мм относил к мелкозёму, а фракции более 10 мм - к глыбам. И.Б.Ревут [118] обращает внимание на два рациональных размера: первый (от 0,5 до 2-3 мм) для засушливых зон, а второй (от 0,25 до 7 мм) - для зон с достаточным количеством осадков. Фракции больше и меньше этих размеров он считает соответственно глыбами и пылью. П.В.Вершинин [28], И.Б Ревут [119] делят размеры фракций на 4 группы: глыбы - больше 10 мм; комковато зернистая структура (или макроструктура от 0,25 до ] 0 мм); грубая микроструктура (пыль) - 0,01-0,25 мм; тонкая микроструктура - менее 0,01 мм. СВ. Астапов ведёт учёт микроагрегатов, начиная от диаметра менее 1 мм, А.Ф.Вадюнина [19] считает достаточным разделение фракций на три группы: глыбистая структура -более 10 мм; комковато-зернистая (макроструктура) - от 0,25 до 10 мм; микроструктура - менее 0,25 мм. В последнее время, в связи с развитием теоретических основ и внедрения почвозащитных технологий, считают эрозионно-опасными пылеватые фракции размером менее 1 мм, а частицы более I мм эрозионно-устойчивыми. Как свидетельствуют многочисленные исследования агрофизиков, биологов, почвоведов, размер фракций и их распределение в обрабатываемом слое являются важным средством регулирования агрофизических и биологических свойств почвы.
Сепарация регулирует размер пор, скорость и объём фильтрации воды в почву. Б.Н.Мичурин [102], изучая влияние мелкозёма на фильтрацию вода в почву, разработал наиболее простые модели строения рыхлого слоя. При разделении фракции увеличивается размер пор, общая пористость почвы, возрастает скорость фильтрации воды и накопление влаги в рыхлом слое, уменьшается сток. Это подтверждают опыты И.Б.Ревута [118]. Им установлена зависимость расхода воды через слой фракций диаметром 1 -2 мм от содержания пыли в нём. По мере уменьшения содержания пыли в порах между крупными агрегатами скорость и расход воды возрастают. Особенно резко увеличивается расход воды после уменьшения содержания пыли в смеси до 20%. В слое сепарированных частиц, свободном от пыли, расход воды в 1229 раз больше, чем при полном заполнении пор пылью. Смесь двух фракций имеет минимальную пористость, если между крупными частицами содержится 30-40% мелких фракций, а соотношение диаметров составляет ]/16. Если смесь состоит из трёх фракций, то пористость уменьшается в 4 раза, а из 4 фракций - в 8 раз (Охотин В.В.) [111]. Таким образом, повышение скорости фильтрации воды в почву можно регулировать уменьшением числа размеров фракций. Важно удалить мелкозем из верхнего слоя и увеличить размер пор, когда необходимо пропустить в нижний горизонт большой объём воды при ливнях или бурном снеготаянии [99, 103, 106, 136]. Наличие мелкозёма в нижних слоях увеличивает высоту и скорость капиллярного подъёма влаги в зону корневой системы культурных растений.
Высота капиллярного подъема влаги в почве зависит от диаметра фракций и пор. Опыты А.А. Роде [122] подтверждают эти положения (таблица 2.1). Таблица 2.1 Влияние размера почвенных фракций на высоту подъема воды Размер фракций, мм 5,0-2,0 2,0-1,0 1,0-0,5 0,5-0,2 0,2-0,1 ОД-0,05 Высота подъёма воды, мм. 25 65 131 245 428 1055 Сепарация мелких фракции в зону укладки семян способствует капиллярному подъему воды из нижних горизонтов и более рациональному её использованию культурными растениями. При недостаточном увлажнении необходимо не только создавать слой из мелких частиц на глубине заделки семян, но и уплотнять его с целью лучшего контакта семян с почвой, накопления влаги в уплотнённой прослойке, обеспечивающей получение дружных выходов. Таким образом, в почве необходимо иметь крупные фракции на поверхности поля и мелкие - в зоне залегания корневой системы культурных растений. Что касается скорости капиллярного тока влаги из нижних слоев к верхним, то она уменьшается с увеличением диаметра фракций [118]. Сепарация уменьшает испарение влаги с комковатой поверхности поля. Опытами В.Д.Михайлова [28] доказано уменьшение испарения влаги при увеличении толщины мульчирующего слоя (таблица 2.2). Таблица 2.2 Влияние размеров почвенных комков и толщины комковатого слоя на испарение воды из почвы, в граммах (по Б.Д.Михайлову ) Размеры фракций, мм Слой комков, мм Менее 5 10 15 0,25 4250 3550 2750 2-3 2850 2250 1600 10-15 4350 3350 2000 Сортированные фракции 2-3 мм испаряют вода меньше, чем пылевидные частицы 0,25 мм и более крупные 10-15 мм. Увеличение толщины мульчирующего слоя также уменьшает потери влаги с поверхности. Д.И.Буровым [16] доказано, что скорость испарения влаги через сепарированный слой из фракций размером 0,5-3 мм минимальна. Рыхление верхнего слоя регулирует тепловой режим почвы, и скорость роста культурных растений, и провокацию сорняков. Регулирование температуры почвы обработкой направлено на прорастание семян, создание оптимального теплового режима вегетации растениям, благоприятное развитие микрофлоры и внутрипочвенных процессов, уменьшение вымерзания и гибели озимых культур. На теплопроводность и температуру почвы влияют размеры почвенных фракций и пор между ними. А.Ф.Чудновский [104] установил, что в равных условиях теплопроводность более крупных частиц (3-4 мм) на поверхности почвы в 1,5-2 раза больше теплопроводности мелких фракций (0,02-0,2 мм). Изменяя размер фракций путём сепарации мелкозёма в нижний горизонт, а более крупных - на поверхность почвы, можно в некоторых пределах регулировать температуру верхнего слоя почвы. Обработка почвы и ее сепарация ускоряет рост сорняков, которые уничтожаются последующими обработками сепараторами и катками-сепараторами, штанговыми приспособлениями. Сепарация улучшает аэрацию и газообмен в почве.
Воздух в почве играет важную роль. Кислород используют корни растений и аэробные бактерии, в результате чего происходит газообмен и аэрация верхнего слоя. Один килограмм почвы за час расходует 0,5-3 мл кислорода, а при увеличении температуры от 5 до 30 градусов его потребление возрастает в 10 раз (И..С.Кауричев, [28]). Процесс аэрации притекает более интенсивно у рыхлых почв, с крупными, свободными от мелкозёма порами. Они обеспечивают активное движение воздуха между частицами. А.Г.Дояренко [28], изучая аэрацию и газообмен в монодисперсном сепарированном слое почвы, пришёл к выводу об уменьшении свободных пор до 2,7% в слое их фракций менее 0,5 мм и увеличении свободных пор до 35-39%, когда слой состоял из комочков диаметром 2-3 мм. Если на поверхности поля находятся более крупные фракции, вода быстро уходит из пор и освобождает место для воздуха. Уменьшение пористости и размеров пор влияет на рост и развитие культурных растений. И.Б Ревут., Л.Д.Бавер [119] установили, что уменьшение пор в почве до 2 процентов приводит к гибели посевов сахарной свёклы, корнеплоды становятся искривлёнными, они часто поражаются корневой гнилью. В сепарированном слое почвы из фракций 2,5-3 мм диффузия газов в 4 раза активнее, нем у частиц менее 0,25 мм. Таким образом, сепарации мелкозёма в нижний горизонт увеличивает объём и размеры крупных пор, улучшает кислородное питание растений и аэрацию почвы. Сепарация почвы уменьшает образование почвенной корки и трещин на поверхности поля.
Параметры технологического процесса ротационного катка - сепаратора
Наличие на роторах сепарирующего рабочего органа привода в виде цепной либо иной, например, зубчатой передачи обеспечивает кинематическое несоответствие между поступательной скоростью трактора и окружными скоростями сепарирующего и приводного роторов. Если привод между роторами разъединить, то их окружные скорости будут равны поступательной скорости агрегата, В принятой схеме сепарирующих рабочих органов передний и задний роторы, с одной стороны, связаны передачей, а с другой -силами трения о почву. Поскольку кинематическое несоответствие привода обеспечивается механической прочностью рамы, цепей, валов, то различие линейных скоростей прутьев, находящихся в контакте с почвой, будет обеспечивать режим необходимого скольжения или буксования роторов относительно друг друга и поверхности поля. В этой динамической системе почва является наиболее слабым звеном, и она разрушается в заданном режиме технологического процесса скольжения прутов. Регулируемая кинематическая связь между роторами обеспечивает распределение сил, моментов и и потока мощности на приводных валах и звездочках цепной передачи от контакта роторов с почвой. Скорость скольжения где / - передаточное отношение привода от сепарирующего ротора на тормозной / 1); Va - скорость агрегата; 5 ik - коэффициент скольжения сепарирующего ротора, равен 0,5 - 0,6. Скорость качения Г сепарирующего ротора і раз меньше поступательной скорости V;i агрегата. При этом мощность пропорциональна скорости скольжения 1 :i: . Она равна скорости скольжения роторов, умноженной на силу сопротивления технологического процесса на обработку почвы. Исследования показали, что рациональное передаточное отношение привода от сепарирующего ротора к тормозному необходимо выбирать в пределах 2 — 3. Реакция сил сопротивления определяется технологическим процессом скольжения роторов, рыхления, сепарации обрабатываемого пласта. Тяговое усилие и моменты сил на роторах определяются из двух потоков мощности Nr = N, +N„ (2) где Nrj -расход мощности при выполнении технологического процесса ; N„ - сумма затрат мощности на перемещение агрегата. Затраты мощности определяются скоростью скольжения ротора, силами сопротивления пласта и трение роторов о почву. Сила сопротивления на разрушение почвы и перемещение агрегата Р= к h L + G f, (3) где к - коэффициент сопротивления на ед. площади сечения пласта, н/м ; h -глубина обработки почвы; L-ширина захвата ротора; f- приведенный коэффициент трения почвы о рабочие органы; G - вертикальная нагрузка на сепарирующий рабочий орган. Отсюда полная мощность в системе - машина, почва, трактор равна
Исследования показывают, что рабочий процесс обработки почвы протекает с меньшими скоростями по сравнению со скоростью трактора. В таблице 4 приведены соотношения скоростей технологического процесса для переменных значений коэффициентов скольжения прутьев сепарирующего ротора и передаточных чисел привода от 1 до 4 и скоростей движения трактора от 4 до 12. Учитывая, что рациональные значения передаточных чисел і привода, при которых технологический процесс сепарирования и рыхления выполняется более качественно, составляют от 2 до 3, то соответствующее снижение затрат мощности составляет от 34 до 50 % по сравнению с полным торможением прутьев ротора при всех скоростях движения трактора. Для передаточных числе от 1 до 4 в таблице 2.6 приведены скорости технологического процесса сепарирования в зависимости от передаточного отношения привода роторов. Зависимость скорости скольжения сепарирующего ротора от передаточного отношения привода и скорости движения агрегата, км/ч На эту же величину (в %) снижается скорость технологического процесса по сравнению со скоростью движения трактора. Выводы 1. Технологический процесс сепарирования протекает со скоростями, значения которых меньше поступательной скорости агрегата. 2. Снижение скорости скольжения прутьев ротора характеризуется снижением затрат мощности на выполнение технологии. 3. Качество сепарирования регулируется изменением значений передаточных чисел привода, что позволяет регулировать качество обработки почвы и функциональные возможности машин. 4. Существующие конструкции рабочих органов почвообрабатывающих машин обладают некоторой сепарирующей способностью почвы и сорняков, но они не обеспечивают необходимого качества сепарирования. 5. Анализ состояния и развития механизации земледелия и растениеводства в отечественной и зарубежной практике позволяет сформулировать основные научные направления развития конструкций комбинированных агрегатов для обработки почвы, которые сводятся к созданию трех типов машин: а) базовые модели с новыми рабочими органами; б) многофункциональные модульные машины и комбинированные агрегаты, совмещающие основные операции подготовки почвы, внесения удобрений и семян в почву; в) новые комплексы машин для экологически безопасных схем выращивания сельскохозяйственных культур и борьбы с сорняками механическими способами. 6. Автономный привод катков-сепараторов позволяет составлять из них агрегаты различной ширины и рационально использовать основные типы тракторов по их тяговым характеристикам.
Характеристика условий исследования
Из-за низкого качества обработки почвы, глыбистой пересушенной поверхности поля, неудовлетворительной работы почвообрабатывающих машин и сеялок, возникает опасность получения неравномерных всходов культурных растений, имеют место неравномерные изреженные засоренные посевы с плохо развитой корневой и вегетативной массой.
Практика свидетельствует, что Центрально-Черноземный район относится к зонам неустойчивого земледелия. Количество осадков не превышает по средним многолетним данным 520 мм в год, а их выпадение характеризуется высокой неравномерностью. Так, в период подготовки почвы и сева озимых культур, приходящийся на конец августа - начало сентября, их, как правило, не бывает. В условиях ЦЧП за последние 85-90 лет, каждый четвертый год был засушливым. Это и не позволяет качественно проводить основную обработку, крошить глыбы и готовить почву под посев. Мало осадков приходится и на май - июнь, когда имеют место восточные суховеи, приводящие к локальному проявлению эрозии, гибели посевов свеклы и других культур.
Почвы региона и Центрально-Черноземной машиноиспытательной станции относятся к слабовыщелоченным среднесуглинистым черноземам. По механическому составу это тяжелые суглинки. Их обработка серийными машинами сопровождается образованием глыбистой пашни, которая быстро зарастает сорняками или покрывается всходами падалицы. Дополнительные операции обработки почвы режущими лапами культиваторов, боронами, катками, как правило, оставляют глыбистую поверхность поля. В весенний период на таких почвах прогрессирует рост сорняков. Они быстро развиваются при более низких кардинальных температурах, покрывают поверхность поля и угнетают посевы. Сорняки используют влагу и удобрения и резко снижают урожай. По этим и другим биологическим признакам повышение качества крошения почвы и уничтожение сорняков остается одной из важнейших научно-производственных и технико-экономических задач в этой зоне. Для испытаний выбирались пересушенные почвы с большими глыбами и засоренные поля. Испытания проводились по отвальной вспашке и по стерне. Агрегаты составлялись в соответствии с эксплуатационными требованиями [63].
Объектами исследования были, агрегаты катков-сепараторов различного технологического назначения, культиваторы с приставками, их технологические процессы, рабочие органы, технологические компоненты урожая, почвенная среда, сорняки и их уничтожение в различных режимах работы машин и операциях. Экспериментальные рабочие и макетные образцы комбинированных агрегатов изготовлялись на заводе "Элеватормельмаш", Станкостроительном заводе г. Курска. Опытные конструкции являются составной частью ОКР И НИР региональной научно-технической программы "Реконструкция и развитие сельскохозяйственного машиностроения на промышленных предприятиях Курской области на 1998-2005 г. г11. Комбинированные агрегаты выполнены в различных вариантах. Испытания проводились на опытных участках и в производственных условиях на больших площадях, что позволило получать результаты производственного значения.Каток- сепаратор тяжелый прицепной ЗКСП-1,5Т
Агрегат с тракторами T-L50 и ДТ-75 содержит 3 секции в сцепке, общим захватом 4,5 метра (рис.3.1). На раме из замкнутых профилей установлены два сварных ротора, по периметру которых установлено 16 прутов из арматурной стали круглого сечения диаметром 22-24 мм. Прутья приварены к опорным дискам диаметром 800 мм. Диски присоединены сваркой к валам, установленным в корпуса подшипников на раме. К боковым дискам присоединены звездочки привода, который выполнен с двух сторон ротора и имеет разные передаточные отношения 2 и 2,4. Передний ротор оборудован звездочкой с меньшим числом, а задний - с
Испытания тяжелых катков-сепараторов ЗКСП- 1.5Т на сухих глыбах (с баками для внесения жидких комплексных удобрений ЖКУ .; Рис. 3.2. Катки - сепараторы ЗКСП - 1,5 с балластными ящиками большим числом зубьев. Шаг цепи 38,1 мм. В зависимости от влажности почвы передаточное отношение привода можно изменять. На сухих глыбистых почвах коэффициент скольжения больше и соответствует передаточному отношению 2,4, а на влажных 2. Это уменьшает забивание ротора влажной почвой. Задний ротор оборудован комкодробителями. Для этого на валу установлены втулки с подвесками, к которым присоединены литые чугунные грузы массой до 50 кг для дробления глыб. Между нижним обрезом конца комкодробителя и внутренним радиусом прутьев устанавливается технологический зазор, равный максимальному допустимому размеру комков при обработке почвы, которые проходят в этот зазор Размер зазора 25-30 мм. Он определяется агротехническими требованиями предпосевной обработки почвы. На раме установлен бак для жидких комплексных удобрений, которые можно вносить в почву в период основной вспашки или на операциях предпосевной подготовки почвы. Прицепной вариант агрегата снабжен водилом для составления широкозахватных посевных комплексов в сцепку по 3-5-7 секций.. Рабочий процесс сепарирующих рабочих органов
Технологический процесс всех сепарирующих рабочих органов катков-сепараторов одинаков. Привод катков-сепараторов осуществляется от контакта роторов с почвой и крюковой тяги трактора, число оборотов сепарирующего заднего в 2-2,2 раза меньше, чем к тормозного переднего ротора. Происходит вращение со скольжением, что обеспечивает заглубление прутков в почву, крошение глыб, сепарацию мелких и крупных частиц сорняков и заделку удобрений. По мере поворота ротора почвенный слой просыпается между прутками, сорняки "всплывают" на поверхность, поскольку они имеют меньший удельный вес, чем почва. Кроме того, прутья захватывают сорняки и выбрасывают их на поверхность вместе с почвой. При рациональной скорости движения высота падения сорняков и потока почвы составляет 250-300 мм. В силу разной парусности почвы и сорняков происходит их разделение.
