Оценка воздействия на почву колесных движителей самоходной селекционной сеялки

Введение. Степень реализации потенциала сорта и качества семян во многом зависит от способа посева, технических средств для его выполнения, сроков и норм высева семян. Для увеличения объемов производства и обеспечения сельхозтоваропроизводителей посевным материалом высокого качества необходимо оснащение селекционных и семеноводческих хозяйств перспективными универсальными посевными машинами, пригодными для посева в различных почвенноклиматических условиях.

На сегодняшний день в применяемой селекционной технике и оборудовании используются стандартные кинематические системы передач и приводов. В основном применяется зарубежная техника и оборудование, занимающие от 60-80% рынка [1]. В устройстве селекционных сеялок применяются как ручная системы подачи семенного материала при высеве, так и механическая, что приводит к возрастанию потерь семенного материала, повышению энергоемкости и трудозатрат процесса.

Решением данной проблемы в ФГБНУ ФНАЦ ВИМ стали заниматься в 2017 году. В 2018 году на базе самоходного шасси Агромаш 30 СШ была создана отечественная самоходная селекционная сеялка с интеллектуальной системой высева семенного материала.

В результате передвижения сельскохозяйственной техники возникает уплотнение почвы. При этом происходит спрессовывание ее частиц, способствуя сокращению пространства для воды и воздуха. Уплотняемость почвы зависит от множества факторов. Так почва, содержащая одноразмерные частицы уплотняется лучше, чем почва из разноразмерных частиц. Увеличение содержания влаги также способствует повышенному уплотнению почвы. А наличие органических примесей, наоборот, приводит к меньшему уплотнению. Оптимальной для выращивания растений является почва, содержащая 50% частиц почвы и по 25% воздуха и воды [2].

При многократном проходе сельскохозяйственной техники по полям деформации почвы накапливаются. Американскими учеными было выявлено, что за 40 лет воздействия сельскохозяйственной техники плотность почвы увеличилась на 20%, а ущерб, нанесенный в связи с этим составил 1,18 млрд. долларов. Отечественными учеными было установлено, что различная сельскохозяйственная техника проходит по полю до 17 раз в период возделывания и уборки культур. При этом ходовые системы воздействуют 6-70 раз на 10-12 % площади обработки, 1-6 раз на 65-80% поля и лишь 10-15% площади воздействию не подвергается. Происходит уплотнение почвы на глубину 30-80 см, особенно нарушается верхний плодородный слой. При этом известно, что уплотнение почвы на 0,1 г/см3 способствует снижению урожая зерновых на величину до 6 ц/га и до 15-25 ц/га урожая картофеля [3, 4].

Допустимым удельным давлением движителей сельскохозяйственной техники на почву для большинства ее типов является давление 0,4-0,6 кг/см2 при полевых работах ранней весной и при посеве, 0,8 кг/см2 на вспаханном поле и 1-1,5 кг/см2 на полевых транспортных работах. Однако, как правило, большинство современных машин этим требованиям не соответствуют [5].

При переуплотнении почвы увеличивается ее удельное 96

сопротивление, снижается крошение, образуется глыбистость, ухудшаются агрофизические и физико-химические свойства, развиваются эрозионные процессы. В таких условиях корни растений не в состоянии нормально развиваться. Это приводит к значительному снижению урожая [4, 6].

Цель исследований – оценка воздействия на почву ходовых систем самоходной селекционной сеялки, экспериментальное определение значений уплотнения почвы на различной глубине до и после прохода сеялки и их анализ.

Материалы и методы. В ФГБНУ ФНАЦ ВИМ разработана самоходная селекционная сеялка, общий вид которой представлен на рисунке 1. Технические характеристики самоходной сеялки представлены в таблице 1.

Рисунок 1 – Общий вид самоходной селекционной сеялки

Сеялка предназначена для пунктирного посева зерновых, зернобобовых и крупяных культур на делянках второго этапа селекционных работ. Изменение нормы высева обеспечивается изменением передаточного отношения зубчатых колес редуктора. Для настройки параметров делянок и высеивающего аппарата используется система глобального контроля посева (GSC), которая при рядовом посеве контролирует энергоснабжение электродвигателей механизма подачи кассет и оповещает звуковым сигналом при обнаружении пустых кассет.

Таблица 1 – Технические характеристики самоходной селекционной сеялки

№ п/п	Параметр	Значение
1	Тип	Самоходное, колесное универсальное мобильное энергетическое средство
2	Масса, кг	2860
3	Двигатель Д-120	Дизельный четырехтактный двухцилиндровый с системой воздушного охлаждения и двух рядным вертикальным расположением цилиндров
4	Эксплуатационная мощность двигателя, кВт / л.с.	22,1 / 30
5	Удельный расход топлива, г/кВт ч (г/л.с.ч)	245 (180)
6	Число передач - переднего хода - заднего хода	6 6
7	Скорость, км/ч	5 - 25
8	Механизм блокировки дифференциала	да
9	Ширина колеи, мм - передних колес - задних колес	1324 – 1424 1314 - 1484
10	Колесная база, мм	2500
11	Агротехнический просвет, мм	450
12	Привод высеивающего механизма	От колеса с телеметрическим датчиком
13	Ширина захвата, мм	1250
14	Количество рядов	3 – 6
15	Отдельная воронка	Одна загрузочная воронка на каждый ряд
16	Ротационный дозатор и раструбы	2 – 6 рядов, посевной материал распределяется по всем рядам
17	Центральный дозатор посевного материала	Посевной материал распределяется на несколько рядов
18	Кассетный стол	Посевной материал насыпается в 4-х или 6-ти рядные кассеты и автоматически высевается
19	Система распределения посевного материала	6 конических дозаторов диаметром 120 мм или 4 диаметром 195 мм
20	Система контроля	Система Global Seed Control (GSC)
21	Сошники - анкерные - однодисковые - двухдисковые	ISARIA или NODET ACCORD CX NODET

Лабораторные и полевые исследования проводили в ИСА-филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (Рязанская область, село Подвязье) при возделывании пшеницы, в соответствии с общепринятыми методиками. Были проведены эксплуатационно-технологические испытания по определению агротехнических свойств [7], и лабораторно-полевые испытания по определению основных параметров и характеристик самоходной селекционной сеялки.

Исследование воздействия на почву ходовых систем сеялки проводилось на поле с черноземно-подзолистым типом почвы, величина твердости которой измерялась плотномером почвы Wile фирмы Farmcomp. Измерения выполнялись на шести различных глубинах, соответствующих меткам на щупе плотномера почвы до прохода сеялки, после прохода передним колесом и после полного прохода обоими колесами.

Одним из основных параметров, характеризующих уровень экологического воздействия движителей сеялки на почву, является максимальное контактное давление, оказывающее уплотняющее воздействие на почву и регламентировано ГОСТ 26953-86.

Расчетная схема для определения вертикальных осевых нагрузок самоходной селекционной сеялки на почву представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Расчетная схема для определения вертикальных осевых нагрузок на почву самоходной селекционной сеялки

Для определения веса сеялки, приходящегося на передние и задние колеса необходимо решить систему уравнений:

^ ^M ц . т . = G nK "  ( ^L 6asa - ^L ЦT ^{) — G} 3K "  ^L ЦТ = ⁰,

\ GnK + G3K = G;

где

G_ПК - масса сеялки, приходящаяся на передние колеса;

G_ПК – масса сеялки, приходящаяся на задние колеса;

L_база – колесная база;

L Ц _Т – расстояние от центра заднего колеса до центра тяжести сеялки (по горизонтали).

В результате получается:

G _nK = 1075 кг, G _3K = 1785 кг.

Соответственно можно вычислить, что одно переднее колесо несет нагрузку 537,5 кг, а одно заднее колесо 892,5 кг от массы сеялки.

На сеялку установлены колеса следующих марок. Задние – ЯФ-394 (12,40 R28), передние – Я-387-1 (6,50-16). Рассчитаем площадь пятна контакта с почвой для заднего и переднего колес. Для этого воспользуемся расчетной схемой деформации колеса, представленной на рис. 3.

Рисунок 3 – Расчетная схема деформации колеса Контурная площадь пятна контакта определяется по формуле: А к = a к Ь к П/4, в которой а к = С з V f(D - f), Ьк = 27 f (2 Rпр - f)

R _пр = ( B + H ) /2,5; H = ( D - d ) /2;

C3 = 20,5/(11,9 + [D I B -\n - 9|/2 - 3]),

где

D, B – наружный диаметр и ширина профиля шины;

d – посадочный диаметр обода;

H – высота профиля шины;

n – норма слойности.

Величина прогиба шины вычисляется по формуле:

f = RCB - RCT , где

R СВ – свободный радиус колеса,

R СТ – статический радиус колеса.

Подставив значения известных величин в представленные выше формулы, получили данные, которые для удобства объединены в таблицу 2.

Максимальное контактное давление колес на почву определяется по формуле:

qт = K.F I KA, max                      к где

К2=1,5   – коэффициент продольной неравномерности распределения давления;

К1 – коэффициент приведения площади контакта шины к условиям работы на почвенном основании, зависящий от диаметра колеса [8].

Соответственно, К1 для переднего колеса 1,4 и 1,15 для заднего.

Подставив в формулу значения, получаем, что максимальное контактное давление передних и задних колес на почву равно 1,63 кг/см2 и 0,99 кг/см2, соответственно.

Таблица 2 – Результаты расчетов при определении контурной площади пятна контакта передних и задних колес сеялки с почвой

№ п/п	Параметр	Обозначение	Переднее колесо	Заднее колесо
1	Наружный диаметр колеса, мм	D	760	1250
2	Ширина профиля, мм	B	175	315
3	Посадочный диаметр обода, мм	d	406,4	711,2
4	Норма слойности	n	6	8
5	Высота профиля шины, мм	H	176,8	269,4
6	Приведенный радиус, мм	R пр	140,7	233,8
7	Коэффициент	C 3	1,75	1,66
8	Свободный радиус колеса, мм	R СВ	390	640

9	Статический радиус колеса, мм	RСТ	360	575
10	Прогиб колеса, мм	f	30	65
11	Длина эллипса пятна контакта, мм	a к	259,0	460,7
12	Ширина эллипса пятна контакта, мм	b к	173,7	323,5
13	Контурная площадь пятна 2 контакта, см	A Aк	353,2	1170,0

Из этого можно сделать вывод, что конструкция самоходной селекционной сеялки не соответствует нормативам по допустимым давлениям движителей сельскохозяйственной техники на почву, составляющим 0,4-0,6 кг/см2 для посевных работ [5]. Давление на почву передних колес превышает нормативы в 2,7 раза, а задних – в 1,65 раз.

Результаты и обсуждение. В результате измерения твердости почвы до и после прохода сеялки были получены данные, представленные в таблице 3. Для большей наглядности результаты измерений представлены в виде графиков зависимостей величины твердости почвы от глубины измерения плотномером почвы (рис. 4).

Таблица 3 – Результаты измерений твердости почвы до и после прохода сеялки

Глубина измерения, см	7,62	15,24	22,86	30,48	38,10	45,72
Место измерения твердости почвы	Твердость почвы, кгс/см2
До прохода сеялки	3,52	7,03	8,44	11,95	11,95	11,95
1 проход переднего колеса	9,14	9,84	10,55	12,66	12,66	12,66
1 проход обоих колес	10,55	11,25	11,95	13,36	13,36	13,36
2 проход переднего колеса	11,25	11,95	12,66	14,06	14,06	14,06
2 проход обоих колес	11,95	12,66	13,36	14,41	14,41	14,41
3 проход переднего колеса	12,66	13,36	14,06	14,76	14,76	14,76
3 проход обоих колес	13,36	14,06	14,76	15,12	15,12	15,12

Для определения плотности почвы воспользуемся зависимостью [9]:

H и = -19,163 +15,69 • Ри + 31,528/Wu,

где

H и – твердость почвы, МПа, ρ и – плотность почвы, г/см³, W и – влажность почвы, %.

При испытании самоходной селекционной сеялки влажность была измерена на глубине 7,62 см и составила 20%.

Получаем уравнение:

H 1 • 0,1 = -19,163 +15,69 • ри + 31,528/20,

из которого: ри = Hи /156,9 +1,121

----- до прохода сеялки            -------- 2 проход обоих колес

---1 проход переднего колесо -----3 проход передего колеса

----1 проход обоих колес         -........ 3 проход обоих колес

---2 проход переднего колеса

Рисунок 4 – графики зависимостей твердости почвы от глубины измерения

Подставив последовательно в полученную зависимость значения твердости на глубине 7,62 см до прохода сеялки и после проходов, получили данные, представленные в таблице 4.

Таблица 4 – Плотность почвы до и после прохода сеялки на глубине 7,62 см

Место измерения твердости почвы	Твердость почвы, кгс/см2	Плотность почвы, г/см3
До прохода сеялки	3,52	1,143
1 проход переднего колеса	9,14	1,179
1 проход обоих колес	10,55	1,188
2 проход обоих колес	11,95	1,197
3 проход переднего колеса	12,66	1,202
3 проход обоих колес	13,36	1,206

Заключение. Произведена оценка воздействия на почву ходовых систем самоходной селекционной сеялки, экспериментально определены значения уплотнения почвы на различной глубине до и после прохода сеялки. Выявлено, что давление колес на почву не соответствует допустимым нормативам для посевных работ и превышают их в 2,7 и 1,65 раза для передних и задних колес, соответственно. Однако, в результате анализа измерений твердости почвы на различных глубинах можно сделать вывод о том, что почва уплотняется после первого прохода и при последующих проходах величина уплотнения изменяется незначительно. Причем с увеличением глубины измерения эта тенденция наблюдается особенно четко.

EVALUATION OF THE EFFECTS ON SOIL OF WHEELED

VSAC «VIM», Moscow, Russia

The VSAC «VIM» has developed a self-propelled seeder for dotted sowing of grain, leguminous and cereal crops on the plots of the second stage of breeding. Experimentally determined values of soil hardness before the passage of the seeder, after the passage of the front wheel and after the passage of both wheels at different depths determined by the risks on the probe of the soil density meter. The graphs of the dependence of the soil hardness on the depth of measurement, determined the density of the soil at a depth of 7.62 cm before and after the passage of the seeder. Calculated by determining the area of the contact spot of the front and rear wheels, the pressure exerted by the wheels of the seeder on the soil. It is revealed that the soil compaction formed after the first pass of the seeder practically does not change at its subsequent passes.

Keyword. Self-propelled plot seeder, soil compaction, wheel propulsion, the area of the contact patch of the tire.