Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния почв и орудий для их безотвальной обработки 8
1.1 Анализ состояния почвы при основной обработке 8
1.2 Машины и орудия, применяемые для глубокого рыхления почвы в России и за рубежом 17
2. Методика проведения исследований 43
2.1 Методика проведения лабораторно-полевых исследований по изучению скорости впитывания воды почвой 43
2.2 Методика проведения исследований по определению тягового усилия усовершенствованного рабочего органа ГНЧ-0,6 45
2.3 Почвенно-климатические условия района и методика проведения натурных исследований 53
3. Теоретические предпосылки и обоснование параметров рыхлящих органов орудий для разуп лотнения почвы 58
3.1 Теоретические зависимости для определения тяговых усилий рабочих органов 58
3.2 Аналитическое обоснование процессов взаимодействия рабочих органов с грунтом 62
3.3 Методика определения тягового усилия численным методом при криволинейной призме обрушения 67
3.4 Сравнение результатов численного эксперимента на ЭВМ с натурными исследованиями и зависимостями полученными другими авторами 69
Выводы 70
4. Лабораторно-полевые исследования 72
4.1 Результаты лабораторно-полевых исследований по определению скорости впитывания и влагоемкости почвы 72
4.2 Результаты лабораторно-полевых исследований по определению тягового усилия усовершенствованного рабочего органа ГНЧ-0,6 76
4.3 Эмпирические зависимости тягового усилия усовершенствованного рабочего органа глубокорыхлителя 79 ВЫВОДЫ 81
5. Натурные исследования разуплотненного слоя почвы глубокорыхлителем ГНЧ-0,6 83
5.1 Результаты исследований влияния глубокого рыхления усовершенствованным ГНЧ-0,6 на плотность почвы 83
5.2 Результаты исследований влияния глубокого рыхления усовершенствованным ГНЧ-0,6 на влажность почвы 92
5.3 Результаты исследований влияния глубокого рыхления усовершенствованным ГНЧ-0,6 на температурный режим почвы 97
5.4 Результаты исследований влияния глубокого рыхления почвы усовершенствованным ГНЧ-0,6 на рост развитие и продуктивность сельскохозяйственных культур 102
Выводы 113
Технико-экономические показатели эффективности глубокого рыхления орошаемых земель 114
6.1 Сравнительная оценка глубокорыхлителей ГНЧ-0,6 и РГ-0,8 114
6.2Технико-экономические показатели глубокого рыхления орошаемых земель ГНЧ-0,6 116
Выводы 120
Общие выводы 121
Предложения производству 123
Список использованных источников 124
Приложения 136
- Машины и орудия, применяемые для глубокого рыхления почвы в России и за рубежом
- Методика проведения исследований по определению тягового усилия усовершенствованного рабочего органа ГНЧ-0,6
- Аналитическое обоснование процессов взаимодействия рабочих органов с грунтом
- Результаты лабораторно-полевых исследований по определению тягового усилия усовершенствованного рабочего органа ГНЧ-0,6
Введение к работе
Актуальность темы. В рамках отраслевой программы «Машиностроение для АПК» в России решается неотложная проблема, направленная на устранение переуплотнения почв, вследствие воздействия на нее тяжелой энергонасыщенной техники, а также необоснованного увлечения отвальной пахотой, являющейся основой образования "подпахотной подушки" (А.Г. Бондарев).
Ежегодные многократные проходы тяжёлой техники по полям так уплотняют подпахотные горизонты почвы, что влагоемкость становится очень низкой, плотность в зависимости от механического состава достигает 1,5 ... 1,6 г/см3 (12 - 15 ударов плотномера ДорНИИ), А.Г. Бондарев /14, 15/. Это приводит к тому, что корни сельскохозяйственных растений практически не проникают через подпахотный слой. Высокие температуры воздуха в летний период способствуют сильному иссушению вспаханного слоя почвы, в результате чего наступает угнетение роста и развития растений. При поливах и интенсивных осадках возникает поверхностная эрозия, особенно на склонах, которая смывает наиболее плодородные слои почвы. Становится очевидным необходимость устранения этого нежелательного фактора, ухудшающего водно-воздушное состояние почвы в орошаемом земледелии Ростовской области - Южного региона России.
Исследования отечественных и зарубежных авторов показывают, что на улучшение скважности, водно-воздушного режима и предотвращения эрозии почв оказывает положительное влияние безотвальная обработка и глубокое рыхление почвогрунта. Применение этих обработок почвы способствует повышению урожайности сельскохозяйственных культур на 8 - 10 % в сравнении со вспашкой на глубину 20 - 25 см. Однако, эти обработки почвы в орошаемых условиях Ростовской области и других южных регионах России не достаточно исследованы по ряду социальных и экономических причин. В настоящее время имеются разнообразные почвообрабатывающие орудия для безотвальной обра-
ботки почвы на глубину до 40 см. Но этого оказывается недостаточно для устранения ее переуплотнения. В работах В.Б.. Рыкова /108, 113/ отмечается, что обработки почвы под сельскохозяйственные культуры на глубину до 35-40 см способствуют созданию так называемого «почвенного замка», который препятствует проникновению корней растений к доступной влаге в нижележащих слоях почвы, что является одной из основных причин низкой урожайности сельскохозяйственных культур.
На основании изложенного возникла необходимость исследования нового подхода к обработке почвы путем ее глубокого рыхления (до 0,6 м) глубоко-рыхлителем чизельного типа (ГНЧ-0,6), позволяющим существенным образом разуплотнить почву на глубину обработки (до 0,6 м), снизить плотность и температуру почвы, повысить ее скважность и влагоемкость, уменьшить водную эрозию и дефляцию.
Исследование эффективности разуплотнения подпахотных горизонтов почвы путём замены формователей гребня дна борозды на рабочем органе глу-бокорыхлителя чизельного типа на рыхлящие грани - грунтоподъёмники позволило обосновать геометрические параметры усовершенствованного рабочего органа с учётом качественного и энергетического критерия, основанного на комплексном взаимодействии на почвенный слой системой деформаторов.
Цель исследований - усовершенствовать технологический процесс глубокого рыхления орошаемых земель и рабочий орган рыхлителя чизельного типа, обеспечивающие улучшение водно-физических свойств почвы и повышение урожайности сельскохозяйственных культур.
Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач:
обобщить существующий опыт по глубокому рыхлению почвы;
провести анализ средств механизации по разрыхлению подпахотных горизонтов почвы;
обосновать целесообразность применения глубокорыхлителя чизельного типа в зоне орошения;
усовершенствовать конструкцию и обосновать параметры глубокорыхлителя чизельного типа с учетом энергетических показателей;
изучить влияние глубокого рыхления на водно-физические свойства почвы;
- установить влияние глубокого рыхления на развитие корневой системы и
продуктивность сельскохозяйственных культур;
- определить технико-экономические показатели глубокого рыхления оро
шаемых земель.
Объект исследования - технологический процесс разуплотнения подпахотного слоя почвы глубиной до 60 см усовершенствованным рабочим органом глубокорыхлителя чизельного типа.
Предмет исследования - физические свойства и водно-воздушное состояние подпахотного слоя почвы глубиной до 0,6 м и обоснование параметров рабочего органа глубокорыхлителя чизельного типа
Научная новизна исследований:
обоснована необходимость применения глубокорыхлителя чизельного типа в зоне орошения;
разработана математическая модель тягового усилия, определяющая воздействие конструктивных, технологических и природных условий на энергозатраты глубокорыхлителя чизельного типа;
обоснованы параметры глубокорыхлителя чизельного типа с учетом энергетических показателей;
- конструктивно усовершенствован рабочий орган глубокорыхлителя чи
зельного типа ГНЧ-0,6;
разработан технологический процесс глубокого рыхления усовершенствованным рабочим органом глубокорыхлителя чизельного типа. На защиту выносятся:
теоретическое обоснование применения глубокорыхлителя чизельного типа в зоне орошения;
математическая модель тягового усилия усовершенствованного рабочего органа глубокорыхлителя чизельного типа ГНЧ-0,6;
- параметры глубокорыхлителя с учетом энергетических показателей;
- технологический процесс глубокого рыхления орошаемых почв усовер
шенствованным рабочим органом глубокорыхлителя чизельного типа.
Достоверность результатов исследований подтверждена:
большим объемом лабораторно-полевых и натурных исследований в многократной повторности;
достаточным объемом расчетных данных, полученных при оптимизации параметров глубокорыхлителя;
высокой степенью сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований, результатами внедрения в производство.
Практическая ценность:
обоснованы параметры усовершенствованного глубокорыхлителя чизельного типа с использованием основ земледельческой механики и теории резания грунтов;
установлены показатели изменения плотности, влажности, влагоемкости и температурного режима почвы, а также развития корневой системы озимой пшеницы при глубоком рыхлении до 0,6 м в сравнении с пахотой на 20-25 см;
разработаны предложения производству по применению усовершенствованного глубокорыхлителя чизельного типа (ГЕИ-0,6) для основной обработки почвы и обоснована экономическая эффективность его использования в орошаемом земледелии.
Реализация результатов исследований. На основании проведенных исследований:
усовершенствован и изготовлен рабочий орган и опытный образец глубокорыхлителя чизельного типа ГНЧ-0,6;
разработаны предложения по применению усовершенствованного глубокорыхлителя чизельного типа ГЕИ-0,6 для обработки орошаемых земель;
разработан и внедрен технологический процесс глубокого рыхления в Центральной орошаемой зоне Ростовской области.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях НГМА (Новочеркасск, 1999 - 2001), на научно-практическом семинаре НГМА: «Совершенствование рабочих органов машин, технологии и организации производства работ в АПК» (Новочеркасск, 2000), на научно-практической конференции в КГАУ «Мелиорация, охрана земель и водных объектов» (Краснодар, 2002).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах. Подана заявка на патент.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, состоит из 6 глав, выводов и предложений производству, списка литературы из 139 наименований, в том числе 6 иностранных авторов, содержит 24 таблицы, 56 рисунков и 7 приложений.
Машины и орудия, применяемые для глубокого рыхления почвы в России и за рубежом
В настоящее время существует большое количество различных конструкций рыхлителей почвы без оборота пласта. Они предназначены для обработки почвы на различную глубину: 1) культивация почвы на глубину 10 - 16 см; 2) обработка на глубину 20 - 45 см; 3) обработка почвы на глубину до 60 см. К каждой из выше перечисленных глубин обработки почвы предназначены виды рыхлителей, выполняющие определенные цели. Но только машины и орудия, применяемые для обработки почвы на глубину до 60 см, способствуют не только предотвращению эрозии и частичной замене основной обработки почвы, но и разрушают плужную подошву и разрыхляют ниже лежащие слои почвы, также улучшая формирование корневой системы, скважность почвы, предупреждая поверхностный сток воды и др. Поэтому, мы рассмотрим, в основном, глубокорыхлители различных типов, применяемые в сельском хозяйстве в России и за рубежом.
В нашей стране достаточно широко представлены разработки орудий и технических средств для разуплотнения подпахотной подушки и подпокровной обработки почвы без оборота пласта /1,109/.
Однако, до настоящего времени производится относительно небольшое количество видов прицепных агрегатов для глубокого рыхления почвы без оборота пласта. Промышленное применение нашел агрегат чизельный универсальный марки АЧУ-2,8, представленный на рисунке 1 /65, 100/. АЧУ-2,8 предназначен для безотвальной обработки почв, в том числе засоренных камнями, на глубину до 22 см, но не глубже пахотного слоя. Им производят рыхление зяби весной на глубину пахотного слоя вместо вспашки, культивацию зяби весной под посев промежуточных культур, а также лущение стерни, разделку пласта многолетних трав перед вспашкой, предпосадочную нарезку борозд под посадку картофеля, довсходовое окучивание картофеля и боронование посадок с обработкой почвы в междурядьях, а также окучивание картофеля без боронования по всходам. Агрегатируется с тракторами класса 1,4 т. (МТЗ-80/82, ДТ-75М и т.д.).
Основные его недостатки: большая металлоемкость и малая глубина рыхления почвы - не ниже пахотного слоя, из-за чего не происходит разуплотнения подпахотной подушки. Учеными ВНИПТИМЭСХа разработан почвообрабатывающий агрегат с фронтальным расположением рабочих органов /107/ ОПФ-2,5 (рисунок 2) с Рисунок 2 - Схема орудия ОПФ-2,5 захватом 2,5 м для тракторов класса 3 т, а также захватом 5м- для класса 5 т. Агрегат предназначен для глубокой основной обработки почвы с одновременным измельчением пожнивных остатков, наземной части сорняков и подрезания их корневой системы, дробления глыб, уплотнения и мульчирования, а также выравнивания обработанной поверхности участка за один проход. Он комплектуется различными рабочими органами в зависимости от вида обработки почвы.
Особенностью агрегата является то, что за один проход рабочие органы выполняют пять операций с формированием сухого верхнего слоя глубиной 5-8 см; уплотненного - 8 - 12 см и уплотненно-рыхлого - 16 - 45 см. В качестве сменных рабочих органов применяются секция дисковой батареи, клиновидная лапа, рыхлитель с плоскорезной лапой, прикатывающие катки и лопастные барабаны. Одним из недостатков этого агрегата является: невозможность регулировки глубины плоскорежущей лапы, а также сложность конструкции. Рисунок 3 - Рабочий орган рыхлителя двухъярусного КАО-2 Во ВНИПТИМЭСХе разработано орудие для глубокого рыхления почв /103, 108/ КАО-2 с новым комбинированным рабочим органом. Агрегат разработан на базе секционной рамы плуга типа "Катамаран". Рама представляет собой плоскую сварную конструкцию, на которую крепятся 2 опорных коле 22 са, кронштейны для крепления рабочих органов и навесное устройство. Комплект рабочих органов включает рыхлители двухярусные (рисунок 3) и дополнительное приспособление для поверхностной обработки почвы. Максимальная глубина рыхления почвы до 30 см. Агрегатируется орудие с трактором К-700. Недостатком орудия является малый процент сохраняемости стерни -до 60 %, а также небольшая глубина рыхления. Рисунок 4 - Агрегат КОП для послойного рыхления Показанный на рисунке 4 /91, 100/ агрегат КОП предназначен для послойного рыхления почвы, а также для вспашки пласта многолетних трав. Захват орудия 2,9 м, глубина обработки 30-35 см, агрегатируется с тракторами тягового класса 5. Не допускает образования фракций размером более 10 см в верхнем слое и более 15 см - в нижнем. Недостатком орудия является небольшая глубина рыхления. Представленный на рисунке 5 глубокорыхлитель РГ-0,8 - агрегат объемного типа, он является единственным отечественным орудием сельскохозяйственного назначения (разработка ВНИИГиМ), способным работать на глубину более 50 см. Агрегат разуплотняет почвогрунт рыхлящими гранями Рисунок 5 - Глубокорыхлитель РГ-0,8 установленными под углом 30 . Но его недостатками являются посредственное качество рыхления почвогрунта и большие тяговые усилия при работе.
Характерным представителем культиваторов - плоскорезов - глубоко-рыхлителей, выпускаемых нашей промышленностью является плоскорез -глубокорыхлитель КПГ-250 (рисунок 6). Этот вид орудий работает удовлетворительно только в не разрыхленном слое почвы. При работе в рыхлой земле со стерневыми остатками рабочие органы забиваются, поэтому обработку на требуемую глубину ведут ступенчато, в несколько проходов. Работа этого орудия неудовлетворительна потому, что КПГ-250 обеспечивает плохой процент сохраняемости стерни из-за образования широкой борозды от стойки и низкой устойчивости культиваторной лапы /56, 63/.
Методика проведения исследований по определению тягового усилия усовершенствованного рабочего органа ГНЧ-0,6
Лабораторно-полевые исследования проводились на опытном поле ВНИПТИМЭСХ, г. Зерноград, Ростовской области, в результате которых предусматривалось исследовать процесс разуплотнения подпахотной подушки усовершенствованным рабочим органом глубокорыхлителя чизельного типа ГНЧ-0,6 и обосновать геометрические параметры его грунтоподъёмников. Для этого необходимо было: - определить тяговые усилия усовершенствованного рабочего органа глубокорыхлителя чизельного типа ГНЧ-0,6 при различных углах наклона грунтоподъёмников на глубинах 50 и 60 см, и сравнить их с тяговыми усилиями глубокорыхлителя объемного типа РГ - 0,8; - исследовать влияние изменения угла наклона усовершенствованного рабочего органа глубокорыхлителя чизельного типа ГНЧ - 0,6 на скважность почвы.
Лабораторно-полевые исследования позволили определить наиболее эффективное разуплотнение подпахотных горизонтов почвы путём изменения угла наклона грунтоподъёмников стойки рабочего органа глубокорыхлителя чизельного типа ГНЧ-0,6 и обосновать параметры изучаемого рабочего органа, с учётом качественного и энергетического критерия, основанного на комплексном взаимодействии на почвенный слой системой деформаторов /6, 9, 45, 88,130,131/.
В результате лабораторно-полевых исследований предусматривалось: - усовершенствовать рабочий орган глубокорыхлителя чизельного типа; - установить зависимость тягового усилия от угла наклона грунтопоъёмников при различных глубинах рыхления почвы; - определить зависимость скважности разуплотненной почвы от величины угла установки грунтоподъёмников. При проведении исследований использовался образец стойки глубокорыхлителя ГНЧ-0,6 (авторское свидетельство СССР № 980641, кл. А 01 35. 26. 1980г.), на котором мы установили грунтоподъемники нашей конструкции, рисунок 30 /5, 106, 121, 122/. /
Оригинальная сварная прямоугольная рама, выполнена из стали марки Ст 40, толщиной 4 мм, усиленная косынками. На раме глубокорыхлителя рабочие органы установлены в 2 ряда в шахматном порядке, тем самым, уменьшая тяговые усилия при обработке почвы. Ширина захвата - 2,95 м. Стойки выполнены из стали марки 65 Г, толщиной 60 мм. К стойке через технологические отверстия крепятся культиваторные лапы, смежные рыхлящие грани. Вместо формователей гребня дна борозды установлены грунтоподъемники, прямоугольной формы. Изменение технических решений рабочего органа глубокорыхлителя вызвано тем, что формователи вообще не обеспечивают рыхление пласта почвы. Установка грунтоподъемников позволяет существенно повысить качество разуплотнения пласта, с сохранением функций базовой конструкции.
При заглублении рабочего органа в почву, стойка разрезает и рыхлит почву вследствие сдвига в стороны почвенного пласта по гладким сменным рыхлящим граням. В результате этого сдвигаемый пласт почвы крошится на мелкие фракции, при снятии сжимающих нагрузок после схода почвенного пласта с рыхлящих плоскостей. Наральник, имеющий трапецеидальную форму, с помощью боковых граней углубляет и несколько расширяет борозду. С помощью грунтоподъемников производится отрыв почвенного пласта, от ниже лежащего слоя почвы и происходит его перемещение вверх по плоскости грунтоподъемников, тем самым, образуя вертикальные трещины в подрезаемом слое, обеспечивая лучшее разуплотнение отрываемого пласта почвы. Рисунок 32 - Рабочий орган глубокорыхлителя РГ-0,8
Для сравнения с усовершенствованным глубокорыхлителем чизельного типа ГНЧ-0,6 был принят глубокорыхлитель объемного типа РГ-0,8 (рисунок 32). Анализ конструкций рыхлителей почвы сельскохозяйственного назначения, разработанных НИИ и другими научными организациями Ростовской области и всего Южного Федерального округа позволил установить, что РГ-0,8 является единственной конструкцией рыхлителя способного разуплотнять пласт почвы глубиной ниже 50 см.
Направление движения (2) трактора осуществлялось вокруг установленных вешек. Трактор разгонялся, и в момент пересечения линии начальных вешек начинался отсчёт времени, а когда он пересекал линию конечных вешек - отсчёт времени заканчивался. Замеры проводились трёхкратно, для каждого из углов наклона грунтоподъёмников (40 , 50 , 60 ) и глубин обработки 50 и 60 см. Всего было проведено 18 опытных замеров тягового сопротивления усовершенствованного рабочего органа ГНЧ-0,6. Замер тягового усилия на усовершенствованном рабочем органе глубокорыхлителя ГНЧ - 0,6 осуществлялся следующим образом.
Сопротивление рабочего органа прилагается к трактору, создающему тяговое усилие в трёх точках навески. Суммарное тяговое усилие представляет собой алгебраическую сумму усилий. Вектор усилий может быть отклонён от направления движения трактора, но датчики усилий не используемые при измерениях устроены таким образом, что воспринимают только усилие параллельное линии тяги. Датчики представляют собой балки изгиба. Деформация изгиба преобразуется в электрический сигнал наклеенными тензометрическими датчиками (рисунок 33).
Далее электрический сигнал усиливается в приемлемое для регистрирующих приборов напряжение с помощью нормирующего усилителя ТДА - 6. Выход усилителя нагружается самописцем Н-338-3 и аналоговым цифровым преобразователем (АЦП) ЛА70 - МЗ встроенным в компьютер IBM. Сигнал регистрируется на ленте самописца в виде кривой и на магнитном носителе в виде кодированных сигналов. Опрос амплитуды кодированного сигнала посредством АЦП производился с частотой 40 Гц.
Результаты анализов приведённых данных, характеризующих водно-физические свойства почвы, не учитывают уплотнённость подпахотного слоя почвы, в результате которой создаётся практически водонепроницаемый горизонт почвы. Это приводит к тому, что основная масса корневой системы озимой пшеницы формируется в основном в 20 - 30 см слое и, лишь 10 - 15 % ее проникает в ниже лежащие слои почвы /10/.
Аналитическое обоснование процессов взаимодействия рабочих органов с грунтом
Система уравнений теории предельного состояния сплошной среды как приближенная математическая модель процесса взаимодействия рабочего органа со средой предполагает: 1) напряженные состояния, при которых небольшое изменение объемных или поверхностных сил еще не вызывает разрушение равновесия; 2) напряженные состояния, при которых некоторое, даже малое изменение объемных и поверхностных сил приводит к потере равновесия. В последнем случае наступает разрушение грунта. Для составления модели процесса резания грунтов основное значение имеют напряженные состояния второго типа. Взаимодействие рабочего органа землеройных машин с грунтом рассматривается с точки зрения тех положений теории предельного равновесия, которые связаны с определением пассивного давления грунта на подпорные стенки /9, 23, 24, 34, 35, 41, 55/.
Основные положения теории предельного равновесия грунтов применительно к определению пассивного давления на подпорные стенки заключается в следующем. Среду, в которой отсутствует сцепление (сш = 0), называют идеально сыпучей, среду с большим сцеплением, в которой отсутствует трение между частицами (р=0, а сю ф 0), называют идеально связной. Общие результаты решения задачи о нахождении давления грунта на подпорную стенку можно коротко сформулировать следующим образом.
При известных внешних условиях на контуре могут быть определены искомые давления грунта на подпорную стенку для каждого из рассматриваемых случаев. Среда, оказывающая давление на стенку, занимает полуплоскость и ограничена осью Y, вдоль которой равномерно распределено нормальное давление р.
Проведем численный расчет тягового усилия рабочего органа глубоко-рыхлителя по методике В.В. Соколовского с условиями сходными с лабора-торно-полевыми. Отсюда видно, что величина тягового сопротивления, полученная по методу А.Н. Зеленина имеет большее расхождение с опытными данными, чем величина тяговых усилий, полученных по формуле В.В. Соколовского
Следовательно, можно сделать вывод, что теоретический расчет тягового сопротивления по формуле А.Н. Зеленина тоже подходит для наших исследований, но недостаточно точно определяет тяговые усилия по сравнению с методом, предложенным В.В. Соколовским.
Данные теоретического расчета хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований, выполненных нами (см. главу 4). 1. Анализ экспериментальных и теоретических зависимостей показал, что наиболее близкие результаты по аналитическим зависимостям в сопоставлении с результатами полевого эксперимента дает теория предель 72 ного состояния сплошной среды при криволинейной поверхности призмы обрушения, разработанная В.В. Соколовским. 2. Методика определения тягового усилия глубокорыхлителя при криволинейной поверхности призмы обрушения, хорошо согласуемая с результатами полевого опыта. 3. В результате численного эксперимента обоснованы регрессионные зависимости для коэффициентов горизонтальной составляющей пассивного давления грунта на рабочий орган глубокорыхлителя.
Лабораторно-полевые исследования по определению скорости впитывания воды почвой, проведенные в СПК «Сусатское», показали, что при глубоком рыхлении до 60 см и вспашке на 20-25 см оседание столба жидкости в слое почвы 0 - 5 см не различалось. Существенные различия в скорости впитывания воды были отмечены в слоях почвы 5-25 см, таблица 3.
Анализ таблицы 3 показывает, что на участках с глубоким рыхлением и вспашкой, в первые 10 минут, оседание столба жидкости соответственно составляло 8 и 3 см; через 30 минут эти показатели составили 12,6 и 7,3 см, за следующие 60 минут соответственно 15,4 и 10,5 см, а через 100 минут - 19,6 и 15 см. Спустя 2,5 часа столб жидкости на участке с глубоким рыхлением осел полностью, в то время как на вспашке он составлял 18,4 см. В слое 25 55 см столб жидкости на глубоком рыхлении осел полностью только через 4 часа 40 минут, а на пахоте оставался без изменений более 6 часов.
Более наглядное представление по оседанию столба жидкости на отмеченных вариантах показано на рисунке .
Таким образом, в результате лабораторно-полевых исследований установлено, что глубокое рыхление почвы до 60 см способствует более быстрому впитыванию воды в подпахотные горизонты, в то время как на вспашке продвижение воды останавливается на глубине 25 - 30 см.
Препятствием продвижения воды ниже пахотного слоя являетя уплотненный подпахотный слой почвы, так называемая "подпахотная подушка", А. И. Бараев/8/, А.Г. Бондарев /14/ и другие. При глубоком рыхлении (до 0,6 м) увеличивается объем почвы и резко повышается скважность, а следовательно и влагоемкость почвы. Аналитический расчет влагоемкости метрового слоя почвы при ее обработке путем вспашки на глубину 25 см и глубоком рыхлении до 60 см глу-бокорыхлителем чизельного типа ГНЧ-0,6 и глубокорыхлителем РГ-0,8 позволил установить следующее.
Результаты лабораторно-полевых исследований по определению тягового усилия усовершенствованного рабочего органа ГНЧ-0,6
Лабораторно-полевыми исследованиями, проведенными во ВНИПТИ-МЭСХ г. Зерноград, предусматривалось: 1. определить оптимальный угол наклона грунтоподъемников от 40 до 60 стойки рабочего органа глубокорыхлителя чизельного типа ГНЧ-0,6 при рыхлении на глубину 50 и 60 см в сравнении с показателями стойки рабочего органа глубокорыхлителя РГ-0,8; 2. установить влияние угла наклона грунтоподъемников на показатели скважности почвы, так как эти показатели оказывают непосредственное влияние на создание влагозапасов в разрыхленном подпахотном слое почвы. Полученные результаты замеров тяговых усилий стойки рабочего органа глубокорыхлителя чизельного типа ГНЧ-0,6 приведены в таблице 5. В таблице 5 представлены показатели тяговых усилий рабочего органа глубокорыхлителя объемного типа РГ-0,8 (приложение 2). Анализ таблиц 5 и 6 показывает, что тяговые усилия при глубинах обработки 50 и 60 см и углах наклона грунтоподъемников рабочего органа глубокорыхлителя ГНЧ-0,6 и углах наклона рыхлящих плоскостей глубокорыхлителя ГР-0,8 при 40, 50 и 60 существенно различаются.
На основании полученных зависимостей установлено, что оптимальный угол подъема а для грунтоподъемников усовершенствованного рабочего органа глубокорыхлителя чизельного типа (ГНЧ-0,6) составляет не более 50. Так как при увеличении угла наклона а грунтоподъемников происходит налипание (адгезия) грунта на их рабочую поверхность, что способствует повышению величины тяговых усилий. у =-0,012x2+1,141х + 8,6 40-35-30-25 -20-15 -10-5 - бо Я ши 0 20 40 60 80 100 Угол наклона (градусы) R2 = 0,946 Рисунок 43 - Влияние угла наклона грунтоподъемников на скважность почвы. На рисунке 43 представлена зависимость показателей скважности почвы в разрыхленном подпахотном слое от установки угла наклона грун-топодъемников.
Анализ отношения скважности почвы к углу наклона грунтоподъем-ников, позволил установить, что кривая достигает экстремума по оси ординат - 36-37 %, при угле наклона 47-52,5 по оси абсцисс.
При увеличении угла наклона грунтоподъемников отмечено снижение скважности почвы. Это объясняется тем, что при увеличении угла наклона грунтоподъемников, подрезанный ими почвенный пласт медленнее движется по рабочей плоскости грунтоподъемников. Дальнейшее увеличение угла наклона грунтоподъемников приводит к сминанию грунта рыхлящими рабочими плоскостями. Это ведет к образованию почвенного клина, вследствие чего, увеличиваются тяговые усилия, и практически прекращается рыхление подрезаемого пласта почвогрунта.
1. В результате лабораторно-полевых исследований установлено, что глубокое рыхление почвы усовершенствованным глубокорыхлителем чизельного типа ГНЧ - 0,6 в 1,5 раза увеличивает влагоемкость метрового слоя почвы по сравнению с пахотой, уменьшает поверхностный сток воды и более чем на 50 % повышает запасы продуктивной влаги.
2. В процессе лабораторно-полевых исследований определено тяговое усилие усовершенствованного рабочего органа глубокорыхлителя, ошибка опыта при замере тяговых сопротивлений находилась в преде 83 л ax 5 %. Установленные показатели тягового хорошо согласуются с численной методикой определения тягового усилия по теории предельного состояния сплошной среды при криволинейной поверхности призмы обрушения. 3. По результатам лабораторно-полевых исследований установлен оптимальный угол наклона а грунтоподъемников усовершенствованного рабочего органа глубокорыхлителя чизельного типа ГНЧ-0,6, который составляет сс=50 .
Из списка использованных источников отечественных и зарубежных авторов (40, 51, 52, 87, 90, 114, 120, 132) имеются данные, которые в той или иной степени отражают оценку влияния щелевания и плоскорезной обработки почвы, по сравнению со вспашкой (на 20 - 25 см), на водно-физические свойства и урожайность сельскохозяйственных культур. Отмечено, что прибавка урожая сельскохозяйственных культур составляла 8 - 12 % в сравнении со вспашкой (на 20 - 25 см). Однако многие исследователи отмечают, что выпускаемые и используемые в сельхозпроизводстве орудия не позволяют выполнять обработку на глубину до 60 см.
Разработанный в ЮжНИИГиМ-е глубокорыхлитель навесной чизельного типа (ГНЧ - 0,6) /117/ и выпущенный небольшой партией, позволяет проводить рыхление почвы на глубину до 60 см. Известно, что такая обработка почвы требуется для разуплотнения подпахотной подушки по всему профилю. В связи с этим нами был усовершенствован глубокорыхлитель ГНЧ - 0,6 и выполнена обработка почвы на опытном участке в производственных условиях.
На опытном участке были выполнены исследования по изучению плотности, влажности, послойного режима дневной температуры и формирования корневой системы сельскохозяйственных культур по всему профилю разуплотнённого слоя почвы глубиной до 60 см, урожайности в сравнении с показателями при вспашке на 20 - 25 см (на примере озимой пшеницы).
Анализ табличного материала по определению плотности почвы в зависимости от способа и глубины ее обработки позволил установить, что на варианте «вспашка» на 20 - 25 см и на глубоком рыхлении почвы (до 0,6 м), в верхнем 0 - 10 см слое плотность почвы практически не имеет различия и составляет 0,5-1 удар плотномера ДорНИИ.
Значительное различие плотности наблюдается с горизонтов 10 - 25 и 25 - 55 см указанных обработок почвы, на контрольном варианте плотность почвы была 11,3 и 14,0 ударов, а на глубоком рыхлении почвы (до 60 см) -6,3 и 7,0 ударов плотномера ДорНИИ. Следовательно, глубокое рыхление, разрушая подпахотную подушку, создает по всему профилю до глубины 0,6 м, оптимальное разрыхление почвы, по сравнению со вспашкой (20-25 см).
На изучаемых вариантах обработки почвы (10.06. и 20.07.2001г.) в слоях 10 - 25 и 25 - 55 см, плотность почвы составляла соответственно: 10,0 и 11,6; 14,3 и 15,0; 5,0 и 7,6; 8,3 и 8,6 ударов плотномера ДорНИИ.
Практически аналогичная тенденция изменения плотности почвы наблюдалась на пахоте и глубоком рыхлении, в слоях 10-25 и 25-55 см (20.08.2001г., 12.09.2001г., 09.07.2002г.) здесь плотность составила соответственно: 12,3; 13,6; 12,3 и 15,3; 15,6; 15,0 - на вспашке, и - 8,7; 9,3; 11,0 и 9,3; 10,3; 13,0 ударов плотномера на глубоком рыхлении почвы. На глубоком рыхлении (до 60 см) в изучаемых слоях почвы на 4, 4, 1 и 6, 5 и 2 ударов плотномера было меньше, чем на вспашке на 20 - 25 см. Средние показатели плотности за годы исследований в трёх замеряемых слоях на вспашке составили: 2,4; 11,9; и 14,9 ударов плотномера ДорНИИ, на глубоком рыхлении в этих же слоях соответственно: 2,4; 8,0 и 9,8 ударов плотномера ДорНИИ. Таким образом, анализ полученных результатов исследований в среднем за 3 года позволил отметить, изменений плотности в слое 0-10 при глубоком рыхлении не наблюдалось, и в среднем её величина равнялась 2,3-м ударам плотномера ДорНИИ. Существенные изменения плотности почвы на глубоком рыхлении отмечены в слоях 10 - 25 и 25 - 55 см. В среднем плотность почвы в этих слоях на глубоком рыхлении была соответственно на 4, 4 и 1; 6, 5 и 2 ударов плотномера меньше, чем на вспашке.
