Обоснование конструктивных параметров орудий для выполнения полосовой обработки почвы в энергосберегающей системе земледелия

Введение. Одним из критериев развития цивилизации является состояние природных ресурсов. Особенно ярко данный аспект проявляется в области сельского хозяйства. В последние десятилетия человек использует почву, воздух и воду чрезмерно интенсивно. Следствием этого, а также результатом применения частых сплошных обработок, сопровождающихся многочисленными проходами машин по полю, являются экологические проблемы [1]. Отрасль сельскохозяйственного производства является важным направлением развития науки и техники. При этом её продукция занимает ведущее место в направлении развития нашего Волгоградского региона. Площадь земельного форда Волгоградской области в настоящее время составляет более 11000 тыс. га, более 80% приходится на земли сельскохозяйственного назначения. Главным объектом обработки и средством производства в растениеводстве является почва, являющаяся живым организмом, которому для своего функционирования необходимо крайне бережное отношение [2]. Воздействие человека и машин на почвенные ресурсы в последние десятилетия все чаще приводит к возникновению нежелательных процессов [3]. Например, только на территории нашего региона площадь эродированных почв принимает катастрофические масштабы. На основании проведенного анализа неблагоприятных процессов можно сделать вывод, что на территории Волгоградского региона от водной эрозии страдает 2220,5 тыс. га, от ветровой эрозии – 87,3 тыс. га, от засоления – 1436,6 тыс. га, от нарушения – 3,0 тыс. га, от прочих процессов – 3759,8 тыс. га, итого 7712,2 тыс. га, что составляет 68,3% от общего земельного фонда области и 84,5% земель сельскохозяйственного назначения. Таким образом, хорошо иллюстрируется актуальность проблемы сохранения почвенного плодородия и применения технологий и технических средств, разработанных с применением научного подхода к ресурсосбережению в отрасли производства продукции растениеводства [4, 5].

В последние годы грамотное применение ресурсосберегающих технологий не только ресурсообосновано, но и экономически выгодно, так как они позволяют сокращать затраты и добиваться повышения урожайности производимых культур. В настоящее время ресурсосберегающий подход активно реализуется посредством минимальной (minimal-till), нулевой технологии обработки почвы (no-till) и технологии полосовой обработки Strip-till (стриптилл) [6]. Минимальная обработка почвы состоит из одной или ряда мелких обработок почвы при помощи культиваторов или дисковых борон, при этом важно сохранять пожнивные остатки мульчирующим слоем на поверхности почвы для последующего посева в данных условиях [7].

Особенно ярко демонстрирует результат от применения научного подхода к созданию технологии область полосового земледелия. Технология предусматривает обработку почвы в пределах полосы, в которой растет и развивается культурное растение, а технологические операции помогают созданию благоприятных условий для их роста и развития. Междурядье остается необработанным, что позволяет накапливать растительные остатки и снижать за счет этого эрозионные процессы, удерживать влагу, производить разуплотнение почвы в необработанной полосе естественным путем. Сорная растительность в междурядье оказывается в худших условиях по сравнению с культурными растениями в обработанных полосах, хуже развивается и погибает. Наилучшие результаты достигаются при выращивании в системе полосового земледелия пропашных культур, отзывчивых на глубину обработки (подсолнечник, кукуруза, соя, сорго, горчица и другие). Хорошие перспективы в применении технологии полосовой обработки у бахчевых, овощных культур, хлопка. Данные направления особенно хорошо демонстрируют положительный эффект в экономических и энергетических аспектах при выращивании данных культур с шириной междурядья 0,9 и 1,2 м [3, 8].

На территории Волгоградской области полосовое земледелие применимо на площади 914 тыс. га, а в целом по России 14450 тыс. га. Этим подчеркивается перспективность разработки выбранного направления исследования.

Методика исследований. Для обработки почвы в системе полосового земледелия необходима система машин. В настоящее время большинство таких технических средств зарубежного производства. В рамках Указа Президента РФ об импортозамещении в различных отраслях народного хозяйства ученые Волгоградского ГАУ разработали машину для глубокой полосовой обработки почвы с возможностью регулирования параметров обрабатываемой полосы [пат. 2533038 РФ]. Глубина обработки при этом ограничивается критической глубиной рыхления (до 0,37 м), в то время как зарубежные аналоги позволяют обрабатывать почву на глубину до 0,25 м. Также есть возможность применения данной машины для обработки почвы под различные сельскохозяйственные культуры за счет регулируемой ширины обрабатываемой полосы (0,25–0,3 м) [3, 4]. Центральное место в конструкции занимает чизельная стойка. Выбор данного рабочего органа не случаен. Чизель обладает низкой металлоемкостью и высокой надежностью, прост в конструкции, может снабжаться сменными долотами различной ширины, энергетически эффективен и хорошо себя зарекомендовал в технологическом плане при выполнении операции рыхления почвы [7]. При установке на чизельную стойку семяпровода можно одновременно с операцией рых- ления производить посев (при однофазном стриптилле), а при установке тукопровода – одновременно вносить минеральные удобрения и мелиоранты в прикорневую зону культурных растений.

Возможность минимизации почвообра-ботки зависит от соответствия агроэкологических условий земельного участка выращиваемой культуре, а интенсивность обработки – от качества самой почвы [9]. Факторами выбора минимальной системы обработки почвы являются существенные отклонения от нормативных показателей плотности, слитности, гидроморфизма и солонцеватости. Другие нежелательные характеристики почвенной среды также учитываются при выборе приемов по регулированию состояния пахотного горизонта. Это оказывает влияние на выработку необходимых подходов к формированию энергосберегающих принципов и систем обработки почвы [10].

В этой связи нами разработаны способ минимальной обработки почвы [пат. 2612798 РФ], ресурсосберегающий рабочий орган РОПА [пат. 2489826 РФ] и почвообрабатывающее орудие для полосового рыхления ОМПО-5,6 [пат. на ПМ 154634 РФ], выполняющие мелкую обработку почвы с полосным углублением.

На рисунке 1 показано орудие ОМПО-5,6, основными узлами которого являются: рама 1, рабочие органы чизельного типа РОПА 2, кронштейн крепления рабочих органов 3, механизм регулирования глубины обработки 4, прицепное устройство 5, откидывающаяся консоль 6, подставка 7.

1 – рама; 2 – рабочий орган; 3 – кронштейн; 4 – механизм колеса; 5 – навеска; 6 – консоль; 7 – подставка Рисунок 1 – Орудие минимальной полосовой обработки ОМПО-5,6

Центральное место в рабочем органе РОПА занимает изогнутая стойка 1, выполненная с внутрипочвенным гибом (рисунок 2). На стойке располагается лезвие 2. Башмак с накладным долотом 3 закреплен в нижней части рабочего органа. С тыльной стороны гиба прямой части стойки 1 при помощи пары болтов 4 закреплена подрезающая лапа 5 одностороннего типа, выполняющая роль подрезающего ножа. Лапа имеет техническую возможность перемещаться вдоль стойки 1 по высоте. Для этого предусмотрены отверстия 6, выполненные с шагом 50 мм. На пятке стойки устанавливается долото с фиксацией при помощи болтов. Во время движения МТА технологический процесс рыхления выполняется под действием растягивающих и сжимающих усилий, являющихся причиной интенсивного разрушения внутрипочвенных связей. При помощи долота подрезанный пласт почвы приподнимается, изгибается и растягивается в обеих плоскостях. Необходимая зона сплошного рыхления образуется за счет подрезания внутрипоч-венных гребней при помощи подрезающей лапы, которая имеет возможность вертикального перемещения вдоль стойки.

Результаты исследований и их обсуждение. Глубину рыхления от долота уста- навливаем с акцентом на выращиваемую культуру в пределах 0,25–0,4 м. При помощи подрезающей лапы возможно обеспечение зоны сплошного рыхления в интервале 0,13–0,23 м, при этом шаг составляет 0,05 м. Максимальная глубина рыхления долота составляет 0,4 м. При установке глубины рыхления с минимальным значением 0,25 м зона сплошного рыхления 0,08 и 0,03 м регулируется при помощи установки лапы.

Выполнение сплошного вида рыхления при одновременном снижении количества рабочих органов на раме орудия в два раза стало возможным благодаря выполненному внутри-почвенному изгибу стойки под углом 45 градусов, ориентированному в сторону полевого обреза. При этом длина горизонтальной составляющей наклонной части на поперечновертикальную плоскость равна ¼, а длина горизонтальной составляющей от проекции лезвия крыла на эту же плоскость равна ½ от межд-уследия (расстояния между стойками).

1 – стойка; 2 – лезвие; 3 – долото; 4 – крепежный болт; 5 – лапа; 6 – место крепления подрезающей лапы Рисунок 2 – Рабочий орган РОПА

На рисунках 3–6 показаны возможные технологические процессы основной обработки почвы, выполняемые рабочим органом РОПА.

Рисунок 3 – Схема рыхления почвы на максимальную глубину с подрезом внутрипочвенных гребней и образованием минимальной глубины зоны сплошного рыхления (односторонняя лапа установлена в верхнее положение)

В технологическом плане при использовании чизельных плугов необходимо, с одной стороны, выполнение сплошной обработки почвы на глубину, которая обеспечивает функциональное состояние и развитие корневой системы растений севооборота, а с другой стороны, учитывать необходимость максимального сохранения и накопления влаги осенне-зимних осадков для планирования величины углубления почвы [6, 8]. При этом вопросы энергосбережения также актуальны [2].

Рисунок 4 – Схема рыхления почвы на максимальную глубину с подрезом внутрипочвенных гребней и образованием максимальной глубины зоны сплошного рыхления (односторонняя лапа установлена в нижнее положение)

Рисунок 5 – Схема рыхления почвы на требуемую глубину с подрезом внутрипочвенных гребней и образованием требуемой зоны сплошного рыхления (односторонняя лапа устанавливается в требуемое положение с шагом 0,05 м)

Рисунок 6 – Схема полосного рыхления на требуемую глубину (односторонняя лапа снята, выход внутрипочвенного гребня на поверхность)

Технологический анализ чизельных рабочих органов, которые разработаны с нашим участием, представлен на рисунке 7.

Как видно из рисунка 7, площадь деформации почвы и качественные показатели определяют условия для произрастания растений и энергетические затраты на её обработку.

Согласно принятым обозначениям на рисунке 7 следует, что произведение ширины захвата орудия на глубину рыхления за вычетом площади внутрипочвенных гребней определяет площадь рыхления чизелем Fч, т.е.

F ч = hр·Bор – F г ,                (1)

где h p – глубина рыхления до критической h к глубины, т.е. h р ≤h к ;

h к – критическая глубина резания;

B ор – рабочая ширина обработки чизельного орудия;

F г – площадь сечения внутрипочвенных гребней.

а – стойка прямая; б – наклонная; в – Х-образная; г – РОПА; д – профиль дна борозды

Рисунок 7 – Схемы рыхления почвы от долота чизельными рабочими органами с различной конфигурацией стоек

Рабочая ширина обработки орудия определяется произведением ширины междуследия М на количество рабочих органов n :

Bор = n·М.(2)

Соответственно площадь внутрипочвен-ных гребней в пределах рабочей ширины захвата орудия определяется выражением

Fг=n ·Fр.(3)

Площадь внутрипочвенного гребня F р определяется выражением

Ғр = С^г,(4)

где С – ширина внутрипочвенного гребня у основания;

h г – высота внутрипочвенного гребня .

Согласно рисунку 8, для орудия с рабочими органами РОПА в комплектации без ножа, ширина внутрипочвенного гребня определяется выражением С = М – В.

Тогда для орудия с рабочими органами РОПА в комплектации без ножа выражение (4), с учетом, что h г =(М – В)/2 , примет вид:

Ғр = —.(5)

Соответственно выражение (3) с учетом формулы (5) примет вид:

„      ( м - В )²

Ғ = П^".

Преобразуем формулу (1), учитывая выражение (6) и зависимость (2):

Ғч = һрПМ-п^М-В2 = п(һрМ- (М—)2).(7)

С учетом принятых допущений тогда

Fч =n(hрМ-hг2).(8)

Рисунок 8 – Схема рыхления почвы от долота рабочего органа РОПА (без ножа) в поперечной плоскости

Как видно из рисунка 8, соотношение высот hр и hг влияют на площадь внутрипочвенно-го гребня. Зона сплошного рыхления образуется при hг , величина которой образуется как разность hср = hг – hр.

При hг >hр происходит выход внутрипоч-венного гребня и образуется зона необработанной поверхности почвы (полосовая обработка).

Обозначим отношение hг/hр= Кг – коэффициент выхода внутрипочвенного гребня.

Выражения формул (6) и (7) справедливы для Кг < 1, т.е.

_п             ( М - В )²

^Ғ г ( Кг <1) =П -^,          (6)

Учитывая данные рисунка 9, размеры основания внутрипочвенного гребня с определяют площадь его вершины F в , расположенную над поверхностью почвы. Учитывая размерность принятого угла деформации почвы 45°, получим ²

Ғ = 7 ^.                (9)

Рисунок 9 – Схема рыхления почвы от долота рабочего органа РОПА (без лапы) в поперечной плоскости при Кг > 1

Тогда ширина основания с определяется выражением c = M – B – 2hp.

Подставляя выражение (10)

(9), при Кг > 1, получим

(М-В-2һр)2

^Ғ =----4----.

(10) в формулу

Для данного условия площадь внутрипоч-венного гребня будет равна разности между F р и F в , т.е.

_ ( М - В )²    (М-В-2Пр)²

ҒГ (Кг >1) = —         4    , после преобразования

Учитывая количество рабочих органов для выражения (12), с учетом (3), (2), перепишем формулу (1) для случая, когда Кг > 1 :

F ч = n·h р М – nh p (M – B – h p ) , после преобразования получим

На рисунке 10 показана зависимость коэффициента выхода внутрипочвенного гребня от глубины рыхления при различной ширине междуследия (ширина долота 0,06 м).

Из рисунка видно, что при Кг > 1 происходит выход внутрипочвенного гребня, образуя полосы необработанной почвы.

Рисунок 10 – Зависимость коэффициента выхода внутрипочвенного гребня от глубины обработки почвы с учетом ширины междуследия рабочих органов

Следовательно, для выполнения принятого технологического процесса обработки почвы, с учетом её минимизации, на стадии проектирования или выбора плуга, требуется задаваться определенными его конструктивными параметрами ( M, B, h р ).

Выводы. Результаты проведенных исследований свидетельствуют об идентичности поперечных профилей деформации почвы в результате применения прямых и наклонных стоек после чизельных рабочих органов, что с прямыми, что с наклонными (под углом 45°) стойками. При применении рабочего органа РОПА форма нижней части профиля отличается. Площадь деформации почвы и качественные показатели определяют условия для произрастания растений и энергетические затраты на её обработку. Соотношение высот h р и h г влияют на площадь внутрипочвенного гребня. Зона сплошного рыхления образуется при hг < hр , величина которой образуется как разность hср = hр–hг. При hг > hр происходит выход внутрипочвенного гребня и образуется зона необработанной поверхности почвы (полосовая обработка).

Введено понятие коэффициента выхода внутрипочвенного гребня Кг, равное отношению hг/hр. При исследовании зависимости коэффициента выхода внутрипочвенного гребня от глубины рыхления при различной ширине меж-дуследия для ширины долота 0,06 м выход внутрипочвенного гребня происходит при hг > 1, образуя полосы необработанной почвы. Поэтому для выполнения принятого технологического процесса обработки почвы, с учетом её мини- мизации, на стадии проектирования или выбора плуга, требуется задаваться определенными его конструктивными параметрами (M, B, hр).