Эксплуатационно-технологические показатели агрегатов с плугами ПЛН-8-40 и ПБС-8М для обработки почвы в засушливом земледелии

ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS

ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ / TECHNOLOGIES, MACHINERY AND EQUIPMENT

EDN:

Согласно Стратегии научно-технологического развития Российской Феде-рации1, утвержденной Указом Президента Российской Федерации2, главным направлением развития экономики становится создание прорывных технологий и продуктов, способных конкурировать на мировом рынке. Переуплотнение почв ходовыми системами энергонасыщенных тракторов и рабочими органами тяжелой крупногабаритной сельскохозяйственной техники привело к деградации их агрофизического состояния. Снижается содержание органического вещества, разрушается структура почвы и, как следствие, утрачивается ее плодородие. Чрезмерное уплотнение пахотного слоя может привести к опустыниванию земель сельскохозяйственного назначения, особенно это актуально в регионах, относящихся к зоне рискованного земледелия.

Производство продуктов растениеводства невозможно без выполнения операции основной обработки почвы, влияющей на получение высокого урожая в регионах с малым количеством выпадающих атмосферных осадков. Обработка почвы при производстве сельскохозяйственной продукции является еще и самой энергозатратной и дорогостоящей. Только в левобережной зоне Саратовской области в структуре почвенного покрова на пашне преобладают 87 % почвы глинистого и тяжелосуглинистого состава. Юго-восточная часть области в летний период подвержена частым засухам и суховеям, количество осадков не превышает 250 мм в год3. Земельный фонд отличается низким плодородием со значительными площадями сильно засоленной почвы, что повлияло на ее распаханность (только 65 %)4. По данным типовых технологических карт5 на обработку одного гектара плугом общего назначения ПНЛ-8-40 затрачивается от 20,5 до 24,9 кг дизельного топлива. Разработка новой почвообрабатывающей техники для технологии отвальной вспашки, позволяющая экономить затраты топлива, повысить производительность труда на пахотных работах при меньших количествах проходов тяжелой техники по полю и, следовательно, снизить себестоимость возделываемой растениеводческой продукции является важной хозяйственной проблемой.

Таким образом, целью исследования стало повышение производительности и снижение энергозатрат пахотных агрегатов путем улучшения эксплуатационно-технологических показателей разработанного плуга ПБС-8М относительно серийного плуга ПНЛ-8-40.

Задачи исследования: 1) установить возможность увеличения производительности пахотных агрегатов при основной отвальной обработке тяжелосуглинистой

Vol. 35, no. 3. 2025 ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS .^ETS почвы; 2) определить в полевых условиях снижение погектарного расхода топлива у разработанного плуга, в сравнении с серийным плугом; 3) оценить качественные показатели работы обоих плугов на обработке почвы по стерневому фону поля.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Технология отвальной обработки почвы является основной операцией при возделывании сельскохозяйственных культур во всех регионах Российской Федерации. На нее затрачивается более 40 % всех энергетических ресурсов в объеме производства растениеводческой продукции6 [1]. Согласно исследованиям [2; 3] одним из критериев энергоэффективности является наименьшее тяговое сопротивление корпуса плуга общего назначения. Технологический процесс вспашки такими корпусами не претерпел особых изменений от создания плуга и по настоящее время7 [1]. Подрезание почвенного пласта осуществляется лемехом, крошение и оборот – отвалом, устойчивость движения корпуса обеспечивается полевой доской8 [1]. При этом на долю сопротивления полевой доски приходится до 20 % суммарной составляющей тягового сопротивления корпуса плуга [2; 3].

В статье [3] также подтверждается, что отвальная вспашка относится к наиболее энергоемким технологическим операциям. Авторы рекомендуют для снижения тягового сопротивления корпуса плуга изменить его конструкцию путем применения деформации растяжения подрезаемого почвенного пласта [4; 5]. Возможность замены деформации сжатия путем частичного растяжения несомненно повлияет на снижение энергоемкости процесса.

В засушливых районах на почвах тяжелого механического состава многими учеными рекомендуется заменять отвальную обработку на безотвальное рыхление почвы. По мнению исследователей [6], при безотвальном рыхлении энергозатраты меньше на 22–26 %, чем при отвальной обработке почвы. Одним из направлений экономии энергоресурсов обработки почвы является также совмещение нескольких операций в одном рабочем процессе [7; 8]. При такой операции за один проход агрегата выполняется комбинация мелкой и глубокой обработки почвы.

Энергосбережение при основной безотвальной обработке почвы достигается с помощью использования чизельных рыхлителей [9]. При работе таких орудий крошится почвенный пласт долотом рабочего органа в несколько раз по размеру меньше относительно ширины взрыхленной почвы. Крошение почвы без оборота пласта плоскорезами также снижает затраты энергии на 34 % по сравнению с отвальной вспашкой [10]. Улучшению энергетических показателей работы лемешно-отвального корпуса посвящены исследования В. Г. Черногаева, В. А. Свириной [11], В. П. Дьякова [12].

Для накопления влаги в пахотном слое необходимо управлять пожнивными остатками9. Биологическая часть оставшегося на поле урожая должна успеть перегнить к началу будущего сева. Для этого необходимо ее расположить в обработанном слое при лучших условиях поступления атмосферной влаги и кислорода [13]. Отвальная обработка пересушенной тяжелосуглинистой почвы способствует образованию крупных глыб и комков [14]. В такой пашне весьма трудно распределить пожнивные и растительные остатки. Это подтверждается в работах отечественных ученых [15; 16], в которых установлено, что увеличение процесса образования глыб наблюдается в большей степени на сухих почвах. Сохранению влаги внутри пласта и повышению урожайности сельскохозяйственных культур способствует наличие органического слоя, состоящего из измельченных растительных остатков и раскрошенной почвы как на поверхности поля, так и на глубине10. Другим недостатком качества процесса обработки сухой суглинистой почвы является увеличение плотности и образование уплотненной зоны в нижних горизонтах пласта [17; 18].

Ученые предлагают [19] усовершенствовать эксплуатационно-технологические показатели отвальных плугов принципиальным улучшением технологии основной обработки почвы за счет новых процессов взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих орудий с пластом почвы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объект исследования

Технологический процесс основной отвальной обработки тяжелосуглинистой почвы лемешно-отвальными плугами общего назначения (серийным плугом ПНЛ-8-40 и разработанным плугом ПБС-8М), агрегатируемыми тракторами тягового класса 5.

Материалы

Район УНПО «Поволжье» ФГБОУ ВО Вавиловского университета (с. Степное, Энгельсский р-н, Саратовсая обл.), где выполнялись экспериментальные исследования, располагается в засушливой левобережной зоне Нижнего Поволжья. Опытный участок поля характеризовался тяжелосуглинистыми почвами. Агрофоном служило поле после уборки проса комбайнами с измельчителями-разбрасывателями соломы. Зачетными делянками стали загонки на всем протяжении длины поля, имеющие ровный горизонтальный рельеф. Влажность почвы по глубине обрабатываемого слоя 0–23 см составляла 20,2–22,0 %; масса пожнивных и растительных остатков составляла в среднем 436 г/м2, а высота стерни – 18 см.

Серийный плуг ПНЛ-8-40 (рис. 1) и разработанный плуг ПБС-8М (рис. 2) агрегатировались тракторами тягового класса 5 К-701. Технологический процесс

• ⁹    Управление заделкой пожнивными остатками при основной обработке почвы в засушливом земледелии / В. М. Бойков [и др.] // Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники : материалы XXXVII Междунар. науч.-техн. конф. им. В. В. Михайлова (15–16 мая 2024 г., г. Саратов). Саратов : Изд-во Саратов. гос. ун-та генетики, биотехнологии и инженерии им. Н. И. Вавилова, 2024. С. 166–172. https://elibrary.ru/qxawvk

• ¹⁰    Русакова И. В. Теоретические основы и методы управления плодородием почв при использовании растительных остатков в земледелии. Владимир : ФГБНУ ВНИИОУ, 2016. 131 с. 518

вспашки плугом ПНЛ-8-40 от создания плуга и по настоящее время не претерпел особых изменений. Подрезание почвенного пласта осуществляется лемехом, крошение и оборот – отвалом, а устойчивость движения корпуса обеспечивается полевой доской.

Р и с. 1. Навесной серийный плуг ПНЛ-8-40 в агрегате с трактором К-701

F i g. 1. Mounted serial plow PNL-8-40 is combination with K-701 tractor

Источник: фотографии для рисунков 1, 2 сделаны при испытании плугов на поле в селе Степное Энгельсского района Саратовской области С. В. Старцевым в августе 2016 г. (адаптировано из: Бойков В. М., Старцев С. В., Павлов А. В., Нестеров Е. С. Управление заделкой пожнивными остатками при основной обработке почвы в засушливом земледелии¹¹).

Source: photos for figures 1, 2 were taken during the testing of plows in the field of Stepnoye village, Engels district, Saratov region, by S. V. Startsev, August 2016 (adapted from: Boikov V. M., Startsev S. V., Pavlov A. V., Nesterov E. S. Management of embedding plant and crop residues during basic tillage in arid agriculture).

Р и с. 2. Навесной разработанный плуг ПБС-8М в агрегате с трактором К-701

F i g. 2. The PBS-8M mounted plow is combined with the K-701 tractor

Разработанный плуг ПБС-8М отличается от серийного ПНЛ-8-40 углом установки основного несущего бруса к направлению движения агрегата и конструкцией рабочего органа. У нового корпуса отсутствует полевая доска, а горизонтальная устойчивость движения осуществляется левым лемехом корпуса с шириной захвата 20 см, установленным со стороны необработанной части почвы. Правый лемех с шириной захвата 40 см выполняет подрезание пласта почвы, а отвал крошит, сдвигает подрезанную почву левым лемехом от впереди идущего корпуса и оборачивает почву. При этом происходит полная заделка пожнивных и растительных остатков.

Методы

Эксплуатационно-технологические показатели лемешно-отвальных плугов определялись в соответствии с СТО АИСТ12. Определение производительности плуга выполняли изменением поступательной скорости машинно-тракторного агрегата. Расход топлива регистрировали с момента входа агрегата в зачетную делянку с установившейся скоростью и выхода агрегата из нее.

Процедура исследования

По методике экспериментальных исследований определяли глубину вспашки (рис. 3а) и среднюю высоту растительных и пожнивных остатков на поле (рис. 3b), измерения проводились на пяти участках учетных делянок, расположенных по диагонали загона. Количество стерни и растительных остатков подсчитывали и производили по 10 измерений с погрешностью ± 0,5 см.

a)                                                      b)

Р и с. 3. Измерения:

a) глубины пахоты; b) высоты стерни проса (адаптировано из [20])

F i g. 3. Measurements:

a) depth of plowing; b) height of millet stubble (adapted from [20])

Источник: фотографии для рисунков 3, 4 сделаны при испытании плугов на поле в селе Степное Энгельсского района Саратовской области С. В. Старцевым в августе 2016 г.

Source: photos for figures 1, 2 were taken during the testing of plows in the field of Stepnoye village, Engels district, Saratov region, by S. V. Startsev, August 2016.

Глубину заделки пожнивных остатков и площадь их распределения по профилю обрабатываемого пласта почвы измеряли по отвесной стенке вырытой траншеи

• ¹²    СТО АИСТ 4.1-2010. Машины и орудия для глубокой обработки почвы. Методы оценки функциональных показателей. М., 2011. 36 с.; СТО АИСТ 001-2010. Агротехническая оценка сельскохозяйственной техники. Термины и определения [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/ document/555622479 (дата обращения: 21.10.2024).

Vol. 35, no. 3. 2025 ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS .^ETS перпендикулярно направлению движения агрегата. Перед началом первого прохода движения пахотного агрегата на ширину захвата плуга с помощью шнура устанавливали контрольную линию. Для достоверности измерения распределения стерни по глубине пласта почвы между двумя вешками натянули шнур горизонтально относительно дневной поверхности поля. На шнуре по горизонтали с интервалами 10 см от каждой точки измеряли расстояние по вертикали от поверхности взрыхленной почвы до верхней части нахождения в почве пожнивных остатков, по вертикали – расстояние от дна борозды до нахождения нижней части пожнивных остатков (рис. 4).

Расчет зависимости часовой производительности W_h от скорости движения агрегата определяли по выражению:

Wh = 0,36 Вp υa, га/ч где Вp – ширина захвата плуга, м; υa– скорость движения агрегата, м/с.

Расход топлива определяли методом контроля количества топлива в мерном бачке. Перед началом обработки контрольного участка фиксировали объем топлива в бачке, после окончания установили израсходованный объем в бачке. Погектарный расход топлива определяли делением значения расхода топлива на величину производительности агрегата.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ полученных данных по агротехнической оценке технологий с учетом установленных агротехнических требований показывает, что плуг ПНЛ-8-40 без предплужников и плуг ПБС-8М устойчиво работали по глубине, обеспечивали глубину обработки 23,0–23,4 см (укладывается в требования ±2 см, установочная глубина 23 см). Оба плуга так же устойчивы в работе и по ширине захвата – 3,3 м у ПЛН-8-40 и 4,9 м у ПБС-8М. Отклонение фактической рабочей ширины захвата ±4,0 % не превышает агротехнических требований ±10 %. После прохода плуга поверхность пашни оставалась выровненной. Высота гребней после прохода плуга ПЛН-8-40 составила в среднем 6,9 см, после плуга ПБС-8М – 8,2 см, что отвечает требованиям не более 9 см.

Полевыми экспериментами работы пахотного агрегата с серийным плугом ПНЛ-8-40 выявлена неравномерность распределения пожнивных и растительных остатков как по ширине захвата плуга, так и по глубине раскрошенного пахотного слоя. Измельченная солома и стерня находились между глыбами и комьями почвы. По глубине солома располагалась на расстоянии от 12 до 22 см, причем находилась как в наклоненном, так и в горизонтальном положениях. Контроль качества поверхности пашни показал наличие пожнивных остатков проса в рядах смыкания пластов почвы на расстоянии 30–60 см.

Агротехническая оценка степени заделки пожнивных остатков после прохода плуга ПБС-8М на этом же поле показала, что солома и стерня расположены слоем 5–12 см на глубине 8–15 см в вертикально-поперечной плоскости сечения обработанного пласта.

После уборки проса осенью поле было полностью обработано по отвальной технологии с разделением контрольных участков вспашки агрегатами К-701+ПНЛ-8-40 и К-701+8М. Весной следующего года поле находилось под черным паром, где до посева озимой пшеницы выполнены две культивации с боронованием.

• a)                                      d)

Р и с. 4. Исследование заделки стерни:

• a) вспашка плугом ПНЛ-8-40; b) вспашка плугом ПБС-8М (адаптировано из [20])

F i g. 4. Research of plowing in stubble incorporation:

• a) plowing with the PNL-8-40 plow; b) plowing with the PBS-8M plow (adapted from [20])

После осенней обработки опытных участков серийным плугом ПНЛ-8-40 и разработанным плугом ПБС-8 весной будущего года проведена оценка воднофизических свойств почвы13. После выполнения операций первой культивации пара (рис. 5) и перед посевом озимой пшеницы (рис. 6) плотность почвы была практически равнозначной.

1,11   1,17                     1,10 1,22

ПНЛ-8-40/РЫЪ-8-40       ПБС-8М / PBS-8M

• ■ 0-10  ■ 10-20  «20-30

Р и с. 5. Диаграмма изменения плотности почвы (г/см3) в слое 0–30 см перед первой культивацией

F i g. 5. Diagram of changes in soil density (g/cm3) in the 0–30 cm layer before the first cultivation

Источник: диаграммы для рисунков 5–8 составлены авторами статьи (адаптировано из: Бойков В. М., Старцев С. В., Павлов А. В., Нестеров Е. С. Управление заделкой пожнивными остатками при основной обработке почвы в засушливом земледелии¹⁴).

Source: the diagrams for figures 5–8 were created by the authors of the article (adapted from: Boikov V. M., Startsev S. V., Pavlov A. V., Nesterov E. S. Management of planting crop residues during basic tillage in arid agriculture).

• ■    0-10 ■ 10-20 ■ 20-30

Р и с. 6. Диаграмма изменения плотности почвы (г/см3) в слое 0–30 см перед посевом озимой пшеницы

F i g. 6. Diagram of changes in soil density (g/cm3) in the 0–30 cm layer before sowing winter wheat

Показатели водопроницаемости почвы в этих периодах у плуга ПНЛ-8-40 несколько выше (рис. 7). За первый час водопроницаемость в обработанном ПНЛ-8-40 пласте после первой культивации составила на 5,7 % больше, чем после обработки почвы плугом ПБС-8М. Перед посевом озимой пшеницы значения показателей практически выравнивались (рис. 8).

• ■    1 ч/h «2 ч/h "3 ч/h

Р и с. 7. Диаграмма изменения водопроницаемости почвы после первой культивации, мм/ч

F i g. 7. Diagram of changes in soil water permeability after the first cultivation, mm/h

• ■    1ч/Ь -2ч/Ь «Зч/h

Р и с. 8. Диаграмма изменения водопроницаемости почвы перед посевом озимой пшеницы, мм/ч

• F i g. 8. Diagram of changes in soil water permeability before sowing winter wheat, mm/h

Экспериментально-теоретическими исследованиями эксплуатационных показателей агрегатов с плугами ПНЛ-8-40 и ПБС-8М с трактором тягового класса 5 К-701 установлена производительность за час основного времени разработанного восьмикорпусного плуга ПБС-8М на 30–33 % выше производительности серийного восьмикорпусного плуга ПНЛ-8-40 (рис. 9). На скорости 2,53 м/с К-701+ПНЛ-8-40 погектарный расход топлива составил 17,4 кг/га, ниже на 22 % 701+ПБС-8М – 13,6 кг/га.

Р и с. 9. Зависимость производительности от скорости агрегатов с плугами:

1 – теоретическая ПБС-8М; 2 – экспериментальная ПБС-8М;

3 – теоретическая ПНЛ-8-40; 4 – экспериментальная ПНЛ-8-40;

Р_kr max – граница максимального тягового усилия трактора К-701

F i g. 9. Dependence of productivity on the speed of units with plows:

1 – theoretical PBS-8M; 2 – experimental PBS-8M; 3 – theoretical PNL-8-40;

4 – experimental PNL-8-40; P_{k r}max – the limit of the maximum traction force of the tractor K-701

Источник: график построен авторами статьи.

Source: the graph is constructed by the authors of the article.

Проведенные исследования эксплуатационно-технологических показателей лемешно-отвальных плугов общего назначения серийного ПНЛ-8-40 и разработанного ПБС-8М подтвердили возможность снижения энергозатрат и улучшения агрофизических свойств обработанной тяжелосуглинистой почвы в засушливых условиях левобережной зоны Поволжья. Полученная урожайность озимой пшеницы не снижается, по обработанной плугом ПБС-8М почве за 2018–2020 гг. в среднем получено 24,0 ц/га, по обработанной плугом ПНЛ-8-40 почве – 23,5 ц/га15.

• ¹⁵ Левкина А. Ю. Приемы повышения урожайности и качества зерна озимой пшеницы при минимизации основной обработки чистого пара в Нижнем Поволжье.

ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате обработки тяжелосуглинистой почвы в засушливых условиях левобережной зоны Поволжья установлена возможность снижения энергозатрат и улучшение агрофизических свойств почвы разработанным лемешно-отвальным плугом ПБС-8М. Часовая производительность при рабочей скорости агрегата 2,53 м/с, составила у К-701+ПБС-8М 3,94 га, у К-701+ПНЛ-8-40 – 2,6 га. Погектарный расход топлива на этом режиме составил 13,6 кг/га при работе К-701+ПБС-8М и 17,4 кг/га при работе К-701+ПНЛ-8-40. Снижены затраты топлива на каждом гектаре в размере 3,8 кг. Анализ полученных технологических показателей выявил, что оба плуга обеспечивали глубину обработки на уровне 23,0–23,4 см равномерно по всей ширине захвата машин. Отклонение фактической ширины захвата от конструктивной составляло 4,0 %, что свидетельствует об устойчивости плугов в работе. Гребнистость поверхности поля равнялась 6,9–8,2 см. Степень заделки растительных и пожнивных остатков проса в почву у плугов различалась как по глубине, так и по ширине захвата плуга. После прохода плуга ПБС-8М стерня распределена слоем 5–12 см на глубине 8–15 см, после прохода плуга ПНЛ-8-40 стерня находилась ближе ко дну борозды от 12 до 22 см. После зяблевой вспашки почвы агрегатами с серийным и разработанным плугами к весенней посевной компании улучшились показатели почвы, отразившиеся на урожайности возделываемой культуры 23,5–24,0 ц/га.