Исследование воздействия вибрации рабочих органов глубокорыхлителя на структуру корнеобитаемого слоя почвы

Введение. Одним из наиболее значимых факторов, лимитирующих урожайность сельскохозяйственных культур, является структура корнеобитаемого слоя почвы, определяющая её водный, воздушный и питательный режимы. На фоне обостряющихся проблем переуплотнения и эрозии почв достижение рациональной почвенной структуры за счёт использования классических приёмов основной обработки становится всё более сложной задачей [1]. Актуальной научной проблемой является совершенствование технологии улучшения агрофизических свойств антропогенно переуплотненного корнеобитаемого слоя почвы за счёт использования вибрации рабочих органов почвообрабатывающих машин.

Цель исследований . Повысить эффективность основной безотвальной обработки антропогенно переуплотненного корнеобитаемого слоя почвы путём использования вибрации рабочих органов глубокорыхлителя.

Объекты и методы исследований. Объект – процесс основной безотвальной обработки почвы с использованием энергии вибрации, передаваемой в почву через рабочие органы глубокорыхлителя. Предмет исследования – влияние вибрации рабочих органов глубокорыхли-теля на агротехнические показатели выполнения безот- вальной обработки почвы. Полевые исследования проведены с использованием экспериментального образца вибрационного глубокорыхлителя ГВ-1,8 (рис. 1), оснащённого инерционным вибровозбудителем планетарного типа [2].

Рис. 1. Вибрационный глубокорыхлитель ГВ-1,8

Исследования выполнены в Новосибирском районе Новосибирской области. Почва на опытном поле представлена выщелоченным чернозёмом с мощностью гумусового горизонта в пределах 0,41–0,45 м. Содержание гумуса на опытных участках варьировалось в пределах 3,5–5 %. Величина pH гумусового горизонта слабокислая, с глубиной возрастающая до слабощелочной [3]. На поле, выделенном для проведения экспериментов, возделывалась яровая пшеница по технологии прямого посева, в результате чего почва подверглась значительному переуплотнению. Плотность почвы в слоях 0–0,1; 0,1–0,2; 0,2– 0,3; 0,3–0,4 м составляла соответственно 1,38; 1,41; 1,42; 1,35 г/см3. Агротехнический фон был представлен стернёй зерновых. Обработка выполнялась на глубину 0,4 м.

Оценка агротехнических показателей работы вибрационного глубокорыхлителя выполнялась согласно ГОСТ 20915-2011 «Испытания сельскохозяйственной техники. Методы определения условий испытаний». С целью детального изучения воздействия энергии вибрации на почвенную структуру отбирались почвенные пробы ненарушенного строения размером 0,2×0,2×0,1 м (рис. 2).

Эксплуатационные и энергетические показатели работы вибрационного глубокорыхлителя определялись в соответствии с ГОСТ Р 52777-2007 «Техника сельскохозяйственная. Методы энергетической оценки» и ГОСТ Р 52778-2007 «Испытания сельскохозяйственной техники. Методы эксплуатационно-технологической оценки».

Рис. 2. Отбор почвенных проб для структурного анализа

Результаты исследований и их обсуждение . В результате выполненных исследований установлено, что на рабочей скорости 2,5 м/с, при обработке на глубину 0,4 м в режиме работы с включенным вибровозбудителем, передающим энергию вибрации на рабочие органы, по сравнению с режимом работы с выключенным вибровозбудителем, достигается снижение глыбистости поверхности поля на 18 %; гребнистости на 9,5; сохранение стерни повышается на 29 % [4].

При движении рабочих органов без вибрации на их поверхности происходит образование почвенного ядра, а перед ними – опережающего конуса из уплотнённой почвы [5]. При контакте с рабочим органом почва поднимается клином вверх и выступает на поверхность, что сопровождается раскрытием борозды и разрывом стерни. Поскольку рыхлительная стойка глубокорыхлителя, имеющая форму дуги, располагается вертикально, значительное повреждение стерни происходит из-за угла резания, близкого к нулю, т.е. осуществления нормального резания (рубки). Это приводит к разрыву стерни на части, которые отбрасываются в сторону от борозды, нередко с частичным оборотом (рис. 3).

При использовании вибрации рабочих органов примыкающий к ним слой почвы начинает колебаться и переходит в псевдоожиженное состояние [6]. Псевдоожиженный слой не способен передавать значительные нагрузки, в результате чего снижается уплотнение в опережающем конусе за счёт изменения направления движения почвенных частиц [7]. Этот эффект, с одной стороны, приводит к снижению непроизводительных затрат мощности на уплотнение почвы рабочими органами, с другой стороны – обеспечивает более равномерное выступание разуплотнённой почвы, не приводящее к раскрытию борозды.

За счёт возвратно-поступательного движения рабочих органов стерня разрезается в режиме, подобном резанию со скольжением, что также снижает её деформацию. Таким образом, стерня разрезается с меньшим усилием и без значительного сдвига (рис. 4). В случае, если борозда не раскрывается на значительный угол, а стерня сохраняется, почвенные глыбы остаются под покровом стерни и не выносятся на поверхность, что обеспечивает снижение глыбистости поверхности поля и позволяет избежать необходимости выполнения дополнительных поверхностных обработок.

Рис. 3. Поверхность поля после прохода ГВ-1,8 на скорости 2,5 м/с без вибрации

Рис. 4. Поверхность поля после прохода ГВ-1,8 на скорости 2,5 м/с с вибрацией

При снижении поступательной скорости рабочих органов с 2,5 до 0,83 м/с вибрационные эффекты проявляются сильнее ввиду увеличения интенсивности воздействия энергии вибрации на почвенный массив за счёт роста количества импульсов, передаваемых на единицу пути (рис. 5). Такой режим работы позволил достичь сохранения стерни на уровне 92 % и глыбистости на уровне 3 %.

Рис. 5. Поверхность поля после прохода ГВ-1,8 на скорости 0,83 м/с вибрацией

К аналогичным выводам о характере воздействия вибрации на почвенную структуру можно прийти, используя данные, полученные в результате поперечного профилирования поверхности поля. В режиме работы без вибрации рабочие органы глубокорыхлителя оставляют глубокую раскрытую борозду. Поверхность поля между проходами покрыта почвенными глыбами (рис. 6).

При использовании вибрации рабочих органов профиль поля имеет ровную, без резких перепадов, форму, незначительно отличающуюся от прямой линии. Из этого вытекает, что при разуплотнении почвы и увеличении её объёма она выступает на поверхность более равномерно (рис. 7). Данный факт свидетельствует о повышении качества обработки за счёт увеличения количества и даль- ности распространения образующихся в почвенном массиве трещин.

При анализе отобранных почвенных образцов обнаружено, что после проходов в режиме работы с вибрацией трещины, образующиеся в почве, распространяются на значительно большее расстояние. Почвенные образцы, взятые с участков, обработанных без вибрации рабочих органов, после высушивания были монолитны. Учитывая, что расстояние от проходов рабочих органов, на котором эти образцы отбирались, составляет 0,2 м (рис. 8), можно утверждать, что трещины распространялись на расстояние 0,2–0,22 м. Это согласуется с тем, что классическая расстановка рабочих органов глубокорыхлителей выполняется на расстоянии 0,4–0,45 м для обеспечения перекрытия проходов.

Рис. 6. Поперечный профиль поля после прохода ГВ-1,8 без вибрации рабочих органов на скорости 2,5 м/с

Рис. 7. Поперечный профиль поля после прохода ГВ-1,8 с вибрацией рабочих органов на скорости 2,5 м/с

Рис. 8. Схема отбора почвенных проб для анализа: а – без вибрации рабочих органов; б – с вибрацией рабочих органов; 1 – проход рабочего органа; 2 – место взятия пробы

При изучении почвенных образцов с участков, на которых включенный вибровозбудитель передавал энергию вибрации рабочим органам, было установлено, что после высыхания они были пронизаны сетью трещин. Данный факт свидетельствует о преобладающем распространении сети трещин на расстояние 0,25–0,3 м и в ряде случаев дальше. Интенсификация процесса крошения за счёт воздействия энергии вибрации обеспечила снижение плотности обработанной почвы с 1,19 до 1,02 г/см3.

При определении энергетических показателей работы вибрационного глубокорыхлителя установлено, что использование вибрации рабочих органов снижает их тяговое сопротивление. Это объясняется несколькими причинами. Образование псевдоожиженного слоя почвы в зоне контакта с рабочим органом, с одной стороны, снижает затраты энергии на уплотнение впереди лежащего почвенного горизонта, с другой стороны – происходит уменьшение силы трения рабочего органа с почвой, поскольку при псевдоожижении сыпучей среды снижаются коэффициенты как внутреннего, так и внешнего динамического трения. Также к факторам, приводящим к снижению тягового сопротивления, стоит отнести уменьшение размеров и ускорение схода с рабочей поверхности стоек почвенного ядра, имеющего больший коэффициент трения с почвой, нежели материал рабочих органов [5]. Кро- ме того, происходит снижение усилия резания стерни. В результате проведённых опытов на стерневом фоне вибрация рабочих органов позволила снизить тяговое сопротивление с 28,5 до 24,4 кН, или на 14,4 %.

Выводы

• 1.    Использование энергии вибрации рабочих органов глубокорыхлителя позволяет повысить эффективность процесса основной безотвальной обработки почвы за счёт вибрационных эффектов, возникающих при взаимодействии рабочих органов с почвой.

• 2.    Использование энергии вибрации рабочих органов глубокорыхлителя на скорости 2,5 м/с, при обработке на глубину 0,4 м, по сравнению с режимом работы без вибрации, обеспечивает снижение глыбистости поверхности поля на 18 %, гребнистости – на 9,5 %, сохранение стерни повышается на 29 %.

• 3.    Импульсное воздействие рабочих органов на почвенный массив увеличивает количество и длину образующихся в нём трещин, способствуя снижению плотности обработанной почвы, которое в наших опытах составило от 1,19 до 1,02 г/см³.

• 4.    Воздействие вибрации рабочих органов глубоко-рыхлителя на почвенную структуру позволяет снизить его тяговое сопротивление на 14,4 %.