Оценка влияния неконструктивных факторов на удельное сопротивление легкоглинистых черноземов при чизелевании

Введение. В сельскохозяйственных зонах с вы-   ственно влияющим на производственную функцию раженной аридностью эффективным приемом, суще-    почвы, является её глубокое безотвальное рыхление

(чизелевание). В сравнении с технологиями «no-till» и технологиями, основанными на минимальной системе обработки почвы, чизелевание повышает способность почвы к влагонакоплению, оптимизирует её плотность на большую глубину, нормализует водовоздушный и минеральный баланс. По сравнению с отвальной вспашкой применение чизелей позволяет эффективно бороться с эрозионными процессами, повышает способность почвы к влагоудержанию, способствует выравниванию колебаний её температуры, снижает потери гумуса и т.д. [1, 2]. В то же время для чизелевания характерен ряд существенных недостатков, в том числе и высокая энергоемкость, существенным образом повышающая затраты на реализацию технологии в целом. В связи с этим совершенствование конструкции плугов-рыхлителей, позволяющее снизить энергозатраты при глубокой безотвальной обработке почвы в рамках соблюдения агротребований, – актуальная задача, решение которой позволит не только расширить возможность применения чизельных орудий, но и повысить эффективность растениеводческих технологий в зонах засушливого и полузасушливого земледелия. Эта задача может быть решена только на основе адекватного использования накопленных теоретических и эмпирических данных.

При проектировании любых почвообрабатывающих орудий, в том числе и плугов-рыхлителей, необходимо учитывать, что энергетические показатели их работы, напрямую связанные с удельным сопротивлением почвы, зависят не только от конструктивных особенностей рыхлящих органов, но и от физикомеханических свойств самой почвы, обусловленных её влажностью, органическим и гранулометрическим составом [3], а также от режимов работы машиннотракторного агрегата [4]. В связи с этим целью представленного исследования является оценка влияния отдельных неконструктивных факторов на удельное сопротивление легкоглинистого чернозема, распространенного в южных регионах Российской Федерации, при работе плугов-рыхлителей.

Материалы и методы. Оценка проводилась на основе анализа данных, полученных при испытании в условиях МИС Российской Федерации следующих орудий для глубокой безотвальной обработки почвы: плугов-рыхлителей блочно-модульных ПРБ-3, ПРБ-4 и ПРБ-4А [5, 6, 7]; комбинированного агрегата КАО-10-35 [8]; орудия основной обработки ПЧС-10-40 [9]; орудия с рабочими органами типа «РАНЧО» [10]; плуга чизельного ПЧМ-4 [11]; орудия минимальной полосной обработки ОМПО-5,6 [12]; плуга-глубокорыхлителя РВН-3 [13]; орудия УНС-5 с комплектом сменных рабочих органов [14]; плуга ПЧП-7,0КМ [15]; глубокорыхлителя чизельного навесного ГЧН-4,5Б [16]; чизельно-отвального орудия ОЧО-10-40 [17].

Для достижения поставленной цели при проведении исследования было намечено три комплексных задачи:

• 1)    провести оценку взаимосвязи влажности и твердости легкоглинистого слабогумусного чернозема;

• 2)    провести оценку влияния твердости исследуемой почвы на удельное сопротивление движению рыхлящих рабочих органов;

• 3)    провести оценку влияния скорости движения почвообрабатывающих агрегатов на удельное сопротивление почвы движению рыхлящих рабочих органов.

При решении первой задачи на основе полученного статистического материала с использованием компьютерных математических редакторов были определены коэффициенты корреляции, отражающие взаимосвязь влажности и твердости отдельных слоев почвы (0–10 см; 10–20 см; 20–30 см; 30–40 см и 40–50 см), а также всего обрабатываемого пласта в целом. После этого была проведена оценка влияния влажности на твердость легкоглинистого малогумусного чернозема.

На втором этапе исследования учитывались только результаты испытаний чизельных орудий с однообразной конструкцией рабочих органов (с рыхлителями типа «параплау»), проводимых при примерно одинаковых скоростных режимах (от 2,0 до 2,2 м/с) и примерно на одинаковую глубину (около 40 см). При этом в работе были рассчитаны коэффициенты корреляции для твердости отдельных слоев почвы и удельного сопротивления всего орудия в целом, выявлены почвенные слои, влияние свойств которых на этот показатель достоверно. После этого была проведена оценка влияния средней твердости этих слоев на исследуемый энергетический параметр.

При решении третьей задачи исследования в работе были построены зависимости удельного сопротивления почвы при чизелевании от скорости движения пахотного агрегата. При этом учитывались только результаты испытаний, проводимых на почвах примерно одинаковой усредненной твердости (от 2,0 до 3,0 МПа).

Во всех рассмотренных случаях испытания проводились на легкоглинистых слабогумусных черноземах, характерных для южных, засушливых регионов страны, что предполагает достаточную идентичность органического и гранулометрического состава исследуемых почв по вариантам.

Результаты исследований и их обсуждение. В таблице 1 представлены результаты корреляционной оценки взаимосвязи влажности и твердости отдельных слоев почвы и всего пласта в целом (здесь r – коэффициент корреляции между исследуемыми факторами, a r - среднеквадратическое отклонение коэффициента вариации, определяемое по известным методикам [18]).

Анализ данных таблицы 1 позволяет сделать вывод, что в исследуемых диапазонах, как для отдельных слоев почвы, так и для всего почвенного пласта наблюдается обратная взаимосвязь – увеличение влажности ведет к снижению её твердости. Полученный вывод можно считать достоверным для всех слоев почвы (и для всего пласта в целом) кроме верхнего (0–10 см), поскольку для него не соблюдается условие | г|> 3 a r .

Таблица 1 – Результаты корреляционной оценки взаимосвязи влажности и твердости отдельных слоев почвы и всего пласта в целом

Слой почвы	r	σ r	3 σ r
0–10 см	-0,16	0,15	0,45
10–20 см	-0,63	0,09	0,27
20–30 см	-0,68	0,08	0,24
30–40 см	-0,59	0,10	0,29
40–50 см	-0,69	0,08	0,24
0–50 см	-0,64	0,09	0,26

С учетом достоверной взаимосвязи влажности и фическая зависимость (рисунок 1) средней твердости твердости почвы в исследовании была построена гра-    ( р , МПа) пласта почвы от его средней влажности ( W , %).

10,0            15,0            20,0            25,0            30,0 W, %

Рисунок 1 – Зависимость средней твердости пласта почвы от его влажности

В соответствии с данными [19, 20] была проведена линейная аппроксимация эмпирических данных, позволившая получить зависимость р(W)=-0,13W+5,54, в самом общем виде характеризующую закономерности изменения средней твердости пласта почвы 0–50 см при варьировании его средней влажности. Данная зависимость подтверждает установленную ранее взаимосвязь – увеличение влажности почвы ведет к снижению её твердости. С учетом их достоверной корреляции, выявленной ранее, в дальнейших исследованиях можно учитывать только один из рассмотренных факторов – твердость почвы, как наиболее очевидно влияющий на её сопротивление движению рабочих органов чизельных орудий.

В таблице 2 представлены результаты корреляционной оценки взаимосвязи твердости отдельных слоев почвы и всего пласта в целом с удельным сопротивлением со стороны почвы движению рыхлящих (чизельных) рабочих органов. При оговоренных ограничениях, данных, необходимых для оценки искомой взаимосвязи в слое почвы 40–50 см, оказалось недостаточно, поэтому в дальнейшем анализе этот слой почвы не учитывался.

Таблица 2 – Результаты корреляционной оценки взаимосвязи твердости почвы и её удельного сопротивления при чизелевании

Слой почвы	r	σ r	3 σ r
0–10 см	0,45	0,12	0,36
10–20 см	0,15	0,15	0,44
20–30 см	0,11	0,15	0,44
30–40 см	0,36	0,13	0,39
0–40 см	0,20	0,14	0,43

Из данных таблицы 2 видно, что во всех рассмотренных случаях наблюдается прямая корреляция между твердостью почвы и её удельным сопротивле- нием при чизелевании, однако достоверной такая корреляция может считаться только для верхнего слоя почвы (0–10 см) и, с небольшой натяжкой, для нижнего слоя почвы. Причем, если для слоя (30–40 см) это более или менее предсказуемо, поскольку долото является наиболее нагруженной частью рыхлителя, то устойчивая корреляция для показателей верхнего слоя почвы малообъяснима. Как бы то ни было, поскольку корреляция между средней твердостью пласта почвы 0–40 см и его удельным сопротивлением рыхлению оказалась недостоверной (r < 3σr), то в исследовании была проведена отдельная оценка взаимосвязи средней твердости верхнего и нижнего слоев почвы и удельного сопротивления почвы. Для этих параметров коэффициент корреляции составил r=0,42 при среднеквадратическом отклонении σr=0,12. С учетом достоверности полученных данных в дальнейшем исследовании в качестве характерного показателя использовалось среднее значение твердости (рср) слоев почвы 0–10 и 30–40 см. Например, на рисунке 2 в графическом виде представлена зависимость удельного сопротивления Руд чизелям от оговоренного показателя.

Рисунок 2 – Зависимость удельного сопротивления почвы при чизелевании от среднего значения твердости слоев почвы 0–10 и 30–40 см

Представленная на рисунке 2 зависимость позволила получить уравнение аппроксимации Руд(рср)=2,62рср+26,5, которое, пусть и при достаточно высоком уровне риска, обеспечивает прогноз удельного сопротивления рабочим органам рыхлителей с учетом твердости верхнего и нижнего слоев обрабатываемой почвы. Линейная аппроксимация была выбрана как наиболее простая и удобная для применения в возмож- ных дальнейших расчетах, при том, что использование любого другого вида аппроксимации (кроме полиномиальной выше третьей степени) несущественно увеличивало точность получаемой зависимости (на 1–2%).

На рисунке 3 в графическом виде представлены зависимости удельного сопротивления почвы ( Р уд ) при чизелевании от скорости ( V ) движения почвообрабатывающего агрегата.

Рисунок 3 – Зависимость удельного сопротивления почвы при чизелевании от скорости движения почвообрабатывающего агрегата

Из рисунка видно, что практически для всех орудий, включенных в данный анализ, удельное сопротивление обработке возрастает при увеличении скорости движения агрегата с интенсивностью около 6 кН∙с/м3. Иной характер кривой, полученной для рыхлителя РВН-3, может быть объяснен его продольно- и поперечно-попарным расположением рабочих органов. Нехарактерное изменение тяговой характеристики чизельного плуга ПРБ-3 тяжело поддается объяснению, тем более, что его конструкция принципиально мало чем отличается от конструкции плугов ПРБ-4 и ПРБ-4А.

Аппроксимация усредненных данных позволила получить зависимость Р уд ( V )=6,06 V +20,6, которая с точностью более 95% позволяет прогнозировать значение среднего удельного сопротивления почвы чизе-леванию при изменении скорости движения почвообрабатывающего агрегата.

Заключение. В исследуемых диапазонах как для отдельных слоев почвы, так и для всего почвенного пласта наблюдается достоверная обратная взаимосвязь – увеличение влажности (W, %) ведет к снижению её твердости (р, МПа), которая для легкоглинистых черноземов может быть примерно выражена зависимостью р (W)=-0,13W+5,54. С учетом установленной корреляции (r=-0,64 при среднеквадратическом отклонении σr=0,09) в дальнейших исследованиях можно учитывать только твердость почвы, как фактор, наиболее очевидно влияющий на её сопротивление движению рабочих органов чизельных орудий. При этом в исследовании наблюдалась прямая корреляция между твердостью почвы и её удельным сопротивлением при чизелевании, однако достоверной такая корреляция может считаться только для верхнего слоя почвы (0–10 см) и нижнего слоя почвы (30–40 см). Корреляция между средней твердостью пласта почвы 0–40 см и его удельным сопротивлением рыхлению оказалась недостоверной. В связи с этим для дальнейших исследований в качестве показателя, характеризующего сопротивление почвы движению чизельных рабочих органов, было принято среднее значение твердости (рср) её слоев 0–10 и 30–40 см. Взаимосвязь этого параметра с удельным сопротивлением почвы оценивается коэффициентом корреляции r=0,42 (при σr=0,12).  В работе была получена зависимость удельного сопротивления (Руд, кН/м2) рабочим органам рыхлителей от усредненной твердости   (рср)

верхнего и нижнего слоев обрабатываемой почвы Р уд ( р ср )=2,62 р ср +26,5, а также зависимость Р уд ( V )= 6,06 V +20,6, которая с точностью более 95% позволяет прогнозировать значение среднего удельного сопротивления почвы чизелеванию при изменении скорости ( V , м/с) движения почвообрабатывающего агрегата. Полученные данные позволят при анализе технологического процесса чизельных плугов учитывать и прогнозировать влияние неконструктивных факторов на энергетические показатели их работы.