Содержание к диссертации
Введение
І.Состояние вопроса. Цель и задачи исследований 8
1.1 Классификация противоэрозионных технологий обработки склоновых земель и технических средств для их осуществления
1.2. Противоэрозионные приёмы обработки склоновых земель и применяемые технические средства
1.2.1.Обработка почвы плоскорезами-глубокорыхлителями 12
1.2.2.Обработка почвы чизельными плугами. 13
1.2.3.Обработка почвы плугами-рыхлителями 14
1.2.4.Обработка почвы щелевателями и щелерезами-кротователями 16
1.2.5.Технологии и технические средства для ярусной отвально-безотвальной обработки почвы 17
1.2.6.Ярусная безотвальная обработка почвы и технические средства для её осуществления 18
1.2.7.Технологии и технические средства для обработки почвы с образованием на поверхности водоёмкого микрорельефа 20
1.2.8.Безотвальная обработка с мульчированием верхнего слоя почвы пожнивными остатками и агрегаты для её выполнения: 22
1.2.9.Технологии и орудия для локально-вертикального мульчирования почвы пожнивными и растительными остатками. 25
ЬЗ.Основные результаты исследований 33
1.4.Перспективы развития технологий и технических средств для противоэрозионной обработки почвы 43
Г.5.Выводы по главе 44
1 .б.Цель и задачи исследований 45
2. Теоретическое исследование противоэрозионного орудия для гребнекулисной обработки почвы 46
2.1.Обоснование схемы противоэрозионного приспособления 46
2.2. Определение основных конструктивных параметров противоэрозионного дискового приспособления
2.3.Анализ процесса взаимодействия дискового рабочего органа с почвой 50
2.3.1.Определение основных параметров дискового приспособления влияющих на формирование противоэрозионной кулисы 56
2.4.0пределение технологических показателей противоэрозионного дискового приспособления 62
2.5.Энергетическая оценка противоэрозионного орудия с дисковым приспособлением 2.6.Выводы по главе 70
З.Программа и методика экспериментальных исследований 71
3.1 .Программа экспериментальных исследований 71
3.2.Методика лабораторно-полевых исследований 71
3.2.1. Объекты и условия исследований 73
3.2.2. Устройство и технологический процесс, выполняемый лабораторно-полевой установкой с дисковым приспособлением 77
3.2.3.Исследование зависимости полноты использования пожнивных остатков Qc и почвы Qn дисковым приспособлением от типа дисков, угла их атаки Д и шага между ними t 82
3.2.4.Исследование влияния скорости движения агрегата на технологический процесс формирования кулисы 87
3.3.Мето дика лабораторно-полевых и хозяйственных испытаний экспериментального противоэрозионного орудия с дисковым приспособлением 88
3.3.1.Исследование зависимости технологических параметров противо эрозионной гребне-стерневой кулисы от типа предшественника и поло
жения дополнительного дискового рабочего органа. 89
3.3.2.0пределение агротехнических показателей противоэрозионного орудия с дисковым приспособлением. 90
3.3.3.Определение энергетических показателей орудия 93
3.3.4.Эксплуатационно-технологическая оценка работы противоэрозионного орудия 95
3.3.5.Определение высоты снежного покрова, стока талых вод и смыва почвы 96
3.3 .б.Определение урожайности сельскохозяйственных культур 96
3 АМетодика обработки результатов исследований 97
4.Результаты экспериментальных исследований 98
4.1. Результаты лабораторно-полевых исследований противоэрозионного орудия с дисковым приспособлением 98
4.1.1.Зависимость, полноты использования пожнивных остатков Qc и почвы Qn дисковым приспособлением от типа дисков, угла их атаки J3 и
шага между ними t 98
4.1.2.Влияние скорости движения агрегата и на технологический процесс формирования гребне-стерневой кулисы 102
4.2.Результаты лабораторно-полевых и хозяйственных испытаний противоэрозионного орудия ОПС-3,5 104
4.2.1.Исследование зависимости технологических параметров противо-эрозионной гребне-стерневой кулисы от типа предшественника и положения дополнительного дискового рабочего органа 105
4.2.2.Агротехнические показатели работы орудия ОПС-3,5 106
4.2.3.Энергетическая оценка противоэрозионного орудия ОПС-3,5 111
4.2.4.Эксплуатационно-технологические показатели противоэрозионного орудия ОПС-3,5 114
4.2.5.0ценка надёжности орудия ОПС-3,5
4.3 .Выводы по главе 116
5. Результаты производственной проверки противоэрозионного орудия ОПС-3,5 и технико-экономическая оценка
5.1.Противоэрозионная эффективность безотвальной гребнекулисной обработки почвы и влияние на урожайность возделываемых культур 117
5.2.Экономическая эффективность применения противоэрозионного орудия ОПС-3,5 к трактору класса 5 119
Общие выводы 122
Список литературы 124
Приложения 134
- Классификация противоэрозионных технологий обработки склоновых земель и технических средств для их осуществления
- Определение основных конструктивных параметров противоэрозионного дискового приспособления
- Устройство и технологический процесс, выполняемый лабораторно-полевой установкой с дисковым приспособлением
- Результаты лабораторно-полевых исследований противоэрозионного орудия с дисковым приспособлением
Введение к работе
Одной из задач, стоящих перед сельскохозяйственным производством, является сохранение и повышение почвенного плодородия обрабатываемых земель. В комплекс мер, направленных на решение этой задачи входит расширение применения и совершенствование приёмов основной обработки почв, подверженных эрозии.
Почва, как главное средство сельскохозяйственного производства, разрушается под действием эрозии, что ставит под угрозу саму возможность ведения земледелия в целых районах.
Более 60% обрабатываемых земель подвергается эрозии, смыв плодородного слоя на склоновых землях достигает 6-Ю т/га ежегодно. В зимне-весенний период склоны теряют до 30...70% снеговой воды. В отдельных случаях смыв плодородного слоя почвы может достигать, в зависимости от крутизны и длины склона, приёмов агротехники, 50... 120 т/га, что соответствует слою почвы 5...12 мм [116,117].
На территории Саратовской области до 80% сельскохозяйственных угодий размещены на склонах крутизной более 1, крутизна некоторых достигает 8. Вследствие эрозионной деятельности, преимущественно талых вод, ежегодный прирост площадей под оврагами составляет более 400 га [113,116,117].
Для стабилизации производства зерна и другой сельскохозяйственной продукции необходимо применение энергосберегающих способов возделывания сельскохозяйственных культур, базирующихся на почвозащитных технологиях. Это технологии, основанные на нетрадиционных методах земледелия, на безплужных, безотвальных способах обработки почвы, на основе применения новых орудий. Сюда относятся орудия, которые могли бы не только сохранять на поверхности поля растительные остатки предшествующих культур или частично их заделывать в поверхностный слой почвы, но и формировать из них противоэрозионные элементы. Применение таких орудий должно не только
уменьшать эрозионные процессы, но и способствовать накоплению и сохранению влаги в почве, создавать оптимальные условия для теплового и питательного режима выращиваемых культур, эффективно бороться с сорняками [115,116].
Одним из перспективных направлений почвозащитных технологий является противоэрозионная гребнекулисная обработка почвы, разработанная в НИИСХ Юго-Востока [8].
Повышение противоэрозионной эффективности обработки почвы, путем разработки и обоснования конструктивных и технологических параметров про-тивоэрозионного орудия для безотвальной гребнекулисной обработки, является актуальной задачей, решение которой имеет важное народнохозяйственное значение.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Анализ существующих способов противоэрозионной обработки почвы, орудий и приспособлений для их выполнения.
Конструктивно-технологическая схема орудия с приспособлением для основной гребнекулисной обработки почвы.
Результаты теоретических исследований технологического процесса и полученные аналитические выражения по определению основных конструктивных параметров противоэрозионного приспособления и его энергетической оценки.
Результаты лабораторно-полевых исследований и полученные экспериментальные зависимости для обоснования конструктивно-технологических параметров орудия с приспособлением для гребнекулисной обработки почвы.
Результаты производственных испытаний и технико-экономическая
оценка использования противоэрозионного орудия.
Классификация противоэрозионных технологий обработки склоновых земель и технических средств для их осуществления
Влагообеспеченность земледелия обуславливается не только недостатком атмосферных осадков, но и нерациональным их использованием. При возделывании сельскохозяйственных культур потери влаги на непродуктивное испарение, сток воды и снос снега достигают 40-70% выпадающих осадков [116].
Одним из главных агротехнических мероприятий по борьбе с водной эрозией является зяблевая обработка почвы, предусматривающая задержание сточных вод на месте их образования способами и средствами, обеспечивающими равномерное распределение их по полю, улучшение водопроницаемости и влагоемкости почвы. При выборе противоэрозионных приёмов основной обработки почвы следует отдавать предпочтение таким способам, которые имеют более низкий расход топлива и затраты труда, при этом наиболее максимально должна выполняться основная задача - защита почвы от эрозии [2,3,116].
Плоскорезы-глубокорыхлители предназначены для основной безотвальной обработки чистых паров и осенней зяблевой обработки почвы на глубину до 35 см, с максимальным сохранением стерни и других пожнивных остатков после колосовых и пропашных предшественников.
На полях, отведённых под плоскорезную обработку почвы, высота стерни должна быть не ниже 15-20 см, а количество стерни на 1 м2 - не менее 200 штук, из которых 75-100 и более находятся в вертикальном положении [48].
Плоскорез - глубокорыхлитель должен: обеспечивать требуемое качество работы при влажности 12-25 % и твёрдости до 3,5 МПа; обеспечивать рыхление почвы на глубину от 15 до 35 см, с отклонением средней глубины от заданной не более ± 2 см; обеспечивать крошение почвы с содержанием не менее 80% комков до 5 см, не допускается образование глыб размером более 15 см; обеспечивать полное подрезание сорняков на глубину хода рабочих органов; обеспечивать выравненность обработанной поверхности. Допускается образование валиков в стыке проходов и лап высотой не более 5 см, а в местах прохода стоек лап - образование борозд шириной по верху не более 15-20 см и глубиной не более 5 см [89].
Величина перекрытия лап между смежными проходами агрегата должна быть в пределах 20 см. После прохода орудия на поверхности поля должно сохраняться не менее 75% стерни и других пожнивных остатков. Содержание эрозионно-опасных частиц размером менее 1 мм в слое 0-5 см не должно возрастать по сравнению с исходным количеством их до прохода орудия. Фракций почвы размером от 3 до 50 мм в обрабатываемом слое при оптимальной влажности должно быть не менее 80% [48,89].
Технологический процесс, выполняемый плоскорезом глубокорыхлителем, заключается в следующем. При заглублении рабочего органа плоскореза, лемех подрезает не разрыхленный слой почвы и отделяет его от основного массива. Во время движения по лемеху пласт приподнимается, частично сжимается, изгибается и при сходе с лемеха крошится, при этом стерня, находящаяся на поверхности поля сохраняется. Взаимодействуя с разрушенной почвой, стойка рабочего органа сдвигает её и отбрасывает в стороны, в результате этого за стойкой образуется борозда. Стерня, находящаяся в контакте со стойкой рабочего органа, перемешивается с почвой. Рабочим органом производится деформация пласта почвы на полную глубину обработки. Эта технология широко применяется в основной системе обработки почв [54,66],
Безотвальная плоскорезная основная обработка почвы выполняется плоскорезами - глубокорыхлителями: КПГ-2,2 - для безотвальной обработки почв на глубину до 27 см с одновременным внесением минеральных удобрений; КПГ-2-150 и КПГ-250А - для обработки на глубину 16-30 см; ПГ-3-5 и ПГ-3-100 - для безотвальной обработки на глубину от 15 до 30 см; ГУН-4 - для обработки паровых полей, осенней основной обработки с одновременным внесением минеральных удобрений на глубину 16-30 см [96,97].
Чизельный плуг предназначен для рыхления почвы по отвальным и безотвальным фонам с углублением пахотного слоя, безотвальной обработки почвы взамен зяблевой и весенней пахоты на почвах различного механического состава при влажности до 30% и твёрдости 3,5 МПа, на глубину до 45 см.
Чизельный плуг должен обеспечивать: требуемое качество работы на полях покрытых стернёй и другими растительными остатками высотой до 25 см; отклонение средней глубины от заданной не более ± 5%, над дном обработанного слоя почвы допускаются не разрушенные гребни высотой до 45% от глубины обработки; выровненную поверхность поля; отклонение от ширины захвата ± 10%; при работе на стерневых фонах на поверхности должно сохраняться не менее 60% стерни; количество эрозионно-опасных частиц почвы размером менее 1 мм в верхнем слое после прохода орудия не должно возрастать по сравнению с содержанием их до прохода орудия; при глубоком рыхлении чизельные плуги должны полностью разрушать плужную подошву, создавать мощный рыхлый слой почвы; допускается работа на склонах с величиной уклона не более 8 [92,109].
Определение основных конструктивных параметров противоэрозионного дискового приспособления
Разработанный противоэрозионный способ обработки почвы заключается в том, что одновременно с безотвальной обработкой почвы, пожнивные и растительные остатки подрезаются вместе с почвой на глубину 3...6 см по всей ширине захвата орудия, и транспортируются в открытую щель или борозду. При этом необходимо, чтобы при транспортировке подрезанной массы, часть почвы отделялась (сепарировалась) от пожнивных и растительных остатков (по ТЗ до 65%).
Применяемые на приспособлении рабочие органы, не должны забиваться почвой, соломой и сорняками. Могли бы пропускать встречающиеся препятствия и копировать микрорельеф поля, при этом иметь простую, надежную конструкцию и низкую энергоёмкость.
Учитывая данные требования, а также по конструктивным и технологическим соображениям, предложены дисковые рабочие органы со сплошным лезвием.
Технологический процесс образования противоэрозионной локально-вертикальной гребне-стерневой кулисы с помощью дисковых рабочих органов будет выполняться следующим образом: дисковые органы, установленные под углом к направлению движения, перемещаясь, подрезает верхний слой почвы вместе с пожнивными остатками и смещает их в сторону проделанной борозды или щели. При этом дисковые органы должны быть установлены так, чтобы последующий диск захватывал массу, подрезанную и смещённую впереди идущим диском.
На схеме (рисунок 2.1) данного приспособления, дисковые рабочие органы объединены в симметрично установленные и расположенные под углом относительно оси орудия, батареи. Такое расположение дисковых рабочих орга нов позволит подрезать пожнивные остатки и перемещать их в центральную часть орудия. При шарнирном соединении дисковых органов на несущем элементе рамы, обеспечивается копирование микрорельефа поля и преодоление возможных препятствий.
На технологический процесс образования противоэрозионной стерневой кулисы дисковым приспособлением, будут влиять следующие конструктивные параметры (рисунок 2.1): ширина захвата приспособления - Вк; тип и диаметр дисковых рабочих органов - D; угол атаки дисковых рабочих органов - (3; шаг между дисковыми рабочими органами -1; расстояние между плоскостями дисков - е; Конструктивная ширина захвата дискового приспособления будет равна: Вк=Ь!+Ь2+С,м (2.1) где bj и b2 - ширина захвата правой и левой батареи дискового приспособления, м; С - ширина полосы с неподрезанной стернёй, оставляемая между последними правым и левым дисками, м.
В зависимости от угла атаки дисков (3 и количества дисков п: B nfl-s mfi+n -s mfi+C; (2.2) #K=(H,+w2)-a-sin-jff+C, (2.3) где щ и п2 - количество дисков на правой и левой батарее, шт.; а - ширина захвата одним диском, без учёта угла атаки (хорда), м; /3 - угол атаки дисков, град.
На рисунке 2.4 представлена номограмма для определения перекрытия между дисками, в зависимости от шага между ними, глубины обработки -h и угла атаки дисков -3. Положительное значение АЬ указывает на то, что между дисками существует перекрытие, а отрицательное значение, что перекрытия нет. Данные графические зависимости (рисунок 2.4) получены расчётным путём, по формуле (2.15).
Устройство и технологический процесс, выполняемый лабораторно-полевой установкой с дисковым приспособлением
Для проведения лабораторно-полевых исследований, с целью определения опытным путём оптимальных конструктивных и технологических параметров противоэрозионного орудия с приспособлением, согласно предварительно разработанной схемы, была изготовлена экспериментальная мобильная установка с дисковым приспособлением (рисунок 3.7). Способная за один проход выполнять основную безотвальную обработку почвы и одновременно формировать из пожнивных остатков и почвы гребне-стерневую противоэрозионную кулису. Орудие для противоэрозионной обработки почвы содержит раму, состоящую из переднего 1, заднего 2 и боковых, правого 3 и левого 4, брусьев, на боковых, 3 и 4, брусьях рамы, симметрично относительно друг друга и под углом к продольной оси 5 орудия, вершина которого обращена к задней его части, установлены право- 6 и левосторонние 7 рыхляще-подрезающие лапы. На переднем брусе 1 рамы орудия, вдоль его продольной оси 5, установлена центральная рыхляще-подрезающая лапа 8 с бороздообразователем 9. К раме при помощи винтовых механизмов 10, симметрично и под углом к продольной оси 5 орудия, присоединены правый 11 и левый 12 несущие элементы. На несущих элементах, 11 и 12, под углом к продольной оси 5 орудия, вершина которого направлена к его задней части, и с шагом t-13 между собой, установлены правые 14 и левые 15 дисковые рабочие органы на поводках 16, шарнирно соединенных с несущими элементами, 11 и 12, посредством осей 17. Правые 14 и левые 15 дисковые рабочие органы дополнительно соединены с несущими элементами, 11 и 12, пружинами 18, натяжение пружин 18 регулируется винтами 19. Угол наклона 0-20 поводков 16 к поверхности почвы устанавливается регулировочными болтами 21. Левосторонние рыхляще-подрезающие лапы 7 и левый несущий элемент 12 с левыми 15 дисковыми рабочими органами представляют собой зеркальное отражение соответственно правосторонних рыхляще-подрезающих лап 6 и правого несущего элемента 11 с правыми дисковыми рабочими органами 14. На левом брусе 4 рамы орудия, перед последней левой рыхляще-подрезающей лапой 7 установлен кронштейн 22 с дополнительным дисковым рабочим органом 23. На раме установлены опорные колеса 24 с механизмами регулировки 25 глубины обработки почвы. В задней части противо-эрозионного орудия, между крайними, правосторонней 6, левосторонней 7, рыхляще-подрезающими лапами и задним брусом 2 рамы, предусмотрено выходное окно 26, через которое укладывается стерневая кулиса 27 в борозду 28. Лабораторно-полевая установка агрегатировалась трактором класса 50 кН.
Предлагаемое орудие для противоэрозионной обработки почвы работает следующим образом. При движении агрегата по полю центральная 8, право- 6 и левосторонние 7 рыхляще-подрезающие лапы рыхлят почву без оборота пласта на глубину 15...30 см, при этом бороздообразователем 9 вдоль продольной оси 5 орудия образуется открытая борозда 28. Одновременно правые 14 и левые 15 дисковые рабочие органы под действием собственного веса и дополнительной нагрузки, создаваемой пружинами 18, заглубляются и, вращаясь под действием реакции почвы, подрезают верхний слой почвы вместе с пожнивными остатками. В результате того, что дисковые рабочие органы, 14 и 15, установлены на несущих элементах, 11 и 12, с шагом t-13 и под углом к продольной оси 5 орудия, вершина которого направлена к его задней части, происходит транспортировка подрезанной массы от одного дискового рабочего органа к другому в центр орудия, в борозду 28 проделанную бороздообразователем 9. Дополнительный дисковый рабочий орган 23 направляет подрезанную массу в открытую борозду 28 и окончательно формирует стерневую кулису 27. Далее образованная стерневая кулиса 27 проходит в выходное окно 26, между стойками последних право- 6 и левосторонних 7 рыхляще-подрезающих лап. В результате технологического процесса выполняется безотвальная обработка и формируется локальный водопоглощающий элемент, в виде стерневой кулисы 27, частично расположенной в почве, а частично на ее поверхности. Благодаря шарнирному соединению с несущими элементами, 11 и 12, дисковые рабочие органы, 14 и 15, имеют возможность производить индивидуальное копирование микрорельефа поля, пропускать излишки подрезанной массы и перекатываться через препятствия. В процессе транспортировки происходит ворошение подрезанной массы дисковыми рабочими органами, 14 и 15, за счет их колебаний относительно друг друга, в результате этого происходит частичная сепарация почвы в междисковое пространство.
Результаты лабораторно-полевых исследований противоэрозионного орудия с дисковым приспособлением
Данные исследования проводили с целью изучения влияния скорости движения противоэрозионного приспособления на полноту использования пожнивных остатков Qc и почвы Qn.
Исследования проводили на одной и той же лабораторно-полевой установке, с использованием сферических дисковых рабочих органов исполнения 4, изменяли угол их атаки -р и скорость движения установки - и. Шаг между дисками -1 оставался постоянным.
Перед началом исследований определили условия по ГОСТ 20915-75. Для исследований был выбран участок со стерневым фоном однородным по густоте стояния. Учётные проходы были разбиты на равную длину и отмечены колышками. Устанавливали требуемый угол атаки-р дисковых рабочих органов, он варьировал от 35 до 45, с интервалом в 5. Далее экспериментальным агрегатом выполняли технологический процесс на первой передаче трактора с максимальной подачей топлива, потом на второй и так далее. Время прохождения агрегата по учётным делянкам на различных передачах трактора фиксировалось при помощи секундомера. После этого изменяли угол атаки дисков, и повторяли опыт в той же последовательности.
Скорость движения агрегата определяли по формуле (3.6): V = L/t, м/с (3.6) где \) -скорость движения агрегата, м/с; L — путь пройденный агрегатом, м; t -время прохождения агрегата по учётной делянке, с.
Качественные показатели (полнота использования пожнивных остатков и почвы) работы приспособления определяли по выше изложенной методике. Полученные данные обрабатывали методом математической статистики.
Лабораторно-полевые опыты проводились с целью проверки качества работы и обоснования некоторых конструктивных элементов экспериментального противоэрозионного орудия с дисковым приспособлением. Испытания проводили в опытных хозяйствах ГНУ НИИСХ Юго-Востока, на фонах характерных для данной зоны. В ходе проведения лабораторно-полевых испытаний противоэрозионного орудия с дисковым приспособлением определяли: зависимость геометрических размеров образуемой гребне-стерневой кулисы от длины и вида пожнивных остатков и положения дополнительного дискового рабочего органа относительно выходного окна рамы орудия; агротехнические показатели работы орудия; энергетические показатели противоэрозионного орудия с дисковым приспособлением и без дискового приспособления; показатели надёжности противоэрозионного орудия.
В процессе хозяйственных испытаний определяли следующие показатели; эксплуатационно-технологические показатели работы противоэрозионно го орудия; высоту снежного покрова, сток талых вод и смыв почвы на безотвальной гребнекулисной обработке почвы в сравнении с другими обработками; Урожайность сельскохозяйственных культур на безотвальной гребнекулисной обработке.
Цель исследования - определение влияния типа предшественника и положения дополнительного дискового рабочего органа относительно выходного окна рамы орудия (рисунок 3.14), на геометрические размеры образуемой про-тивоэрозионной гребне-стерневой кулисы (ширину и высоту над поверхностью почвы).
Исследования проводили на характерных стерневых фонах, после типичных предшественников. Величина Сі (рисунок 3.14.) варьировала в пределах от 0,1 до 0,3 м, с интервалом в 0,05 м. Величина С і изменялась посредством перемещения крепления 22 дополнительного диска 23, по раме 1 (рисунок 3.7). Расстояние замеряли при помощи деревянного бруска и линейки. В ходе исследований замеряли ширину Ви высоту над поверхностью почвы Н, образованной гребневой кулисы. Предварительно определили условия испытаний по ГОСТ 20915-75. Исследования проводили с четырёх кратной повторностью, на каждой повторности выполняли по 10 замеров.
Исследования проводили следующим образом: предварительно производилась припашка всего орудия, с регулировкой на заданную глубину обработки всех рабочих органов; после припашки, дополнительный диск устанавливался на заданное расстояние С і относительно выходного окна рамы орудия и затем выполнялись контрольные проходы.
