Устройство для отбора проб почвы на тракторе

Введение. Качественный анализ почвы, включающий измерение ее влажности, необходим для получения хорошего урожая в сельскохозяйственной отрасли. Для достижения максимального результата при анализе количественных и качественных характеристик, а также химического и физического состава почв используют ручные, переносные на электроприводе (аккумуляторе) и навесные агрегатированные с трактором, прицепом, автомобилем устройства для отбора проб почвы. Керн образца почвы, отобранный таким способом, должен иметь ненарушенное сложение и сохранять начальную влажность образцов при транспортировке до проведения комплекса анализов в лабораторных условиях.

Основными недостатками существующих устройств для отбора проб почвы [1– 4] являются в основном их низкая эффективность, связанная с большими трудозатратами при использовании ручных или переносных устройств и сложность конструкций для выполнения технологического процесса (заглубления и извлечения из почвы) навесными агрегатированными с трактором устройствами, а также невозможность сохранения первоначальной влажности образцов почвы до проведения их анализа в лабораторных условиях. После изготовления и испытания опытного образца переносного устройства по отбору почвы на аккумуляторе [5] по патенту РФ на изобретение № 2812193 [6] в отделе механизации ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК появи- лась необходимость создания навесного силового устройства для отбора проб почвы на трактор.

Цель настоящих исследований заключалась в том, чтобы создать силовое (навесное) устройство для отбора проб почвы с глубиной наибольшего погружения пробоотборника 2 м на гидроприводе, которое может быть агрегатировано с любым трактором, имеющим трехточечную навеску и места подключения к гидросистеме трактора, и разработать более эффективную технологию сохранения первоначальной влажности образцов почвы.

Установка и методы. Анализ конструкций созданных ранее устройств для отбора проб почвы, а также проведенные в отделе механизации ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК исследования позволили разработать способ и навесное силовое устройство для отбора проб почвы.

Схема экспериментального устройства на трактор представлена на рисунке 1. Работа осуществляется следующим образом. Навешивают раму 1 через кронштейн навески 2 на трактор, соединяют гидрошлангами 16 гидрораспределитель 15 с гидросистемой трактора, одевают на пробоотборник 4 переходники 6 для фиксации пробоотборника в направляющих 5 и вкладывают верхний конец пробоотборника 4 в корзину 7; переходники 6 – в направляющие 5 и выставляют раму 1 после навески на трактор по уровню в вертикальное положение. Поворотом рычага управления 17 включают гидрораспределитель 15, соединенный гидрошлангами с гидромотором 8, через редуктор 9 и привод 10 приводятся во вращение ведущие звездочки 11, соединенные цепью 12 с кареткой 3, которая скреплена цепью 12 с натяжными звездочками 13, и начинается поступательное движение каретки 3 с корзиной 7 вдоль направляющих на раме 1. Через корзину 7 в верхний конец пробоотборника 4 передается усилие для заглубления пробоотборника в почву на необходимую глубину для взятия образцов почвы. При достижении пробоотборником 4 заданной глубины отбора оператор пово- ротом рычага 17 гидрораспределителя 15 останавливает движение каретки 3, затем поворотом рычага 17 гидрораспределителя 15 изменяет направление вращения гидромотора 8 привода 10 на противоположное, и каретка 3 начинает двигаться вверх, извлекая пробоотборник 4 из почвы до верхнего крайнего положения, при достижении которого оператор рычагом 17 отключает гидрораспределитель и вынимает пробоотборник 4 из корзины 7 и направляющих 5, извлекает из пробоотборника керн почвы и устанавливает пробоотборник в выше изложенной последовательности на каретку 3 устройства.

Рисунок 1 – Схема экспериментального устройства для отбора проб почвы на тракторе:

1 – рама; 2 – кронштейн навесной; 3 – каретка; 4 – пробоотборник; 5 – направляющая; 6 – переходник; 7 – корзина; 8 – гидромотор; 9 – редуктор; 10 – привод; 11 – звездочка ведущая; 12 – цепь; 13 – звездочка натяжения; 14 – регулятор натяжения; 15 – гидрораспределитель; 16 – гидрошланг; 17 – рычаг управления

Fig. 1 – Diagram of an experimental device of soil sampling device for a tractor:

• 1    – frame; 2 – mounting bracket; 3 – carriage; 4 – sampler; 5 – guideway; 6 – adapter; 7 – basket; 8 – hydraulic motor; 9 – gearbox; 10 – drive; 11 – driving sprocket;

• 12    – chain; 13 – tension sprocket; 14 – tension adjuster;

15 – hydraulic distributor; 16 – hydraulic hose;

• 17 – control lever

Схема пробоотборника [7; 8] показана на рисунке 2.

а (a)           б (b)

Рисунок 2 – Схема пробоотборника устройства для отбора проб почвы, а – схема без гибкого рукава;

б – схема капсулы из тонкостенной трубы в сборе с гибким рукавом:

1 – труба заборная; 2 – наконечник; 3 – хвостовик;

4 – труба тонкостенная; 5 – рукав гибкий

Fig. 2 – Diagram of a soil sampler a – diagram without a flexible hose: b – diagram of a thin-walled tube capsule assembled with a flexible hose:

• 1    – sampling tube; 2 – tip; 3 – shank; 4 – thin-walled tube; 5 – flexible hose

Цикл отбора пробы почвы повторяется. Полученный керн почвы делится на необходимое количество образцов по слоям залегания в почвенном профиле, которые укладываются в бюксы для дальнейшего изучения его в лаборатории агротехники и определения влажности почвы термостатно-весовым способом (рис. 2а).

Также разработан способ получения целого керна длиной 1 м в мягком рукаве из полиэтилентерефталата (рис. 2б). Это позволяет сэкономить время в полевых условиях, не тратя его на раскладку образцов почвы в бюксы. А также предотвращает налипание переувлажненной почвы на стенки пробоотборника, что повышает надежность функционирования технологического процесса.

Работа с пробоотборником (вторым способом) осуществляется в следующей последовательности. Берут рулон гибкого рукава из полиэтилентерефталата нужного диаметра, отрезают требуемую длину, вводят рукав внутрь трубы 4 до выхода верхнего конца рукава 5 на длину манжеты, концы рукава выворачивают на внешнюю поверхность трубы 4 с образованием манжет по торцам трубы 4. Затем отворачивают наконечник 2 от заборной трубы 1 и вставляют внутрь заборной трубы 1 тонкостенную трубу, состоящую из трубы 4 с рукавом 5 внутри, до упора в нижний торец хвостовика 3 и наворачивают наконечник 2 до упора в нижний конец капсулы. Затем пробоотборник в собранном виде присоединяют к силовой установке. После заглубления пробоотборника на необходимую глубину его обратным ходом извлекают из скважины, хвостовик 3 отсоединяют от силового устройства, наконечник 2 отворачивают и извлекают тонкостенную трубу с керном почвы внутри. Отворачивают манжеты гибкого рукава 5 с внешней поверхности трубы 4, перевязывают выступающие части рукава скотчем для герметизации керна внутри рукава.

На рисунке 3 показан конец заправленного рукава в тонкостенную трубу, а на рисунке 4 – манжета вывороченного рукава на тонкостенной трубе.

Рисунок 3 – Вид заправленного рукава в тонкостенную трубу

Fig. 3 – Hose inserted into a thin-walled tube

Рисунок 4 – Вид манжеты вывороченного рукава на внешнюю поверхность тонкостенной трубы

• Fig. 4    – A hose cuff turned inside out on the outside of a thin-walled tube

Разработана оригинальная конструкция наконечника 2. Схема наконечника 2 показана на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема наконечника пробоотборника устройства для отбора проб почвы:

1 – втулка соединительная; 1а – резьба внутренняя;

2 – часть конусная; 3 – цилиндр режущий; 4 – кромка режущая; 5 – кольцо режущее; 6 – проточка конусообразная; 7 – отверстие калибровочное; 8 – пластина режущая

• Fig. 5    – Diagram of the sampler tip of a soil sampling device:

• 1    – coupling sleeve; 1a – internal thread; 2 – conical section; 3 – cutting cylinder; 4 – cutting edge; 5 – cutting ring; 6 – conical groove; 7 – calibration hole;

• 8 – cutting plate

Наконечник посредством внутренней резьбы 1а соединительной муфтой 1 навинчивают на заборную трубу пробоотборника. При заглублении наконечника конусная часть 2 наконечника уплотняет почву, что приводит к ее сжатию, а удлинение режущего цилиндра 3 позволяет вырезать керн почвы до ее уплотнения конусной частью 2, что сохраняет ненарушенное сложение почвы. Режущее кольцо 5 вырезает керн почвы, затем, через проточку 6 конусообразной формы он продвигается к калибровочному отверстию 7, служащему для контроля наружного диаметра керна почвы и формирующего его цельность при большой длине. Диаметр калибровочного отверстия 7 больше входного отверстия режущего кольца 5 в 1,1 раза, что обеспечивает беспрепятственное прохождение керна почвы в заборную трубу при увеличении его диаметра из-за внутреннего напряжения в отобранном образце почвы. Усиление наконечника режущими пластинами 8 повышает надежность наконечника при работе на твердых почвах и значительно снижает усилие заглубления наконечника из-за разделения глыбистой твердой структуры режущими пластинами 8. После достижения необходимой глубины пробоотборник извлекают из почвы, при этом керн надежно удерживается внутри пробоотборника за счет проточки 6 конусообразной формы. После извлечения заборного устройства наконечник свинчивают с заборной трубы и могут использовать повторно.

На рисунке 6 показан общий вид пробоотборника с наконечником.

Рисунок 6 – Общий вид пробоотборника с наконечником устройства для отбора проб почвы

Fig. 6 – Soil sampler with a soil sampling device tip

Способ отбора проб почвы заключается в том, что непосредственно заглубление и извлечение пробоотборника происходит в результате перемещения подвижного устройства за счет силового устройства, расположенного на тракторе и приводимого в действие от его гидравлической системы. Глубина наибольшего погружения пробоотборника составляет 2 м за один проход, но отбор образцов почвы происходит в два этапа. На первом этапе пробоотборник заглубляется на 1 м, затем извлекается и из пробоотборника вынимается тонкостенная труба с керном почвы внутри рукава. На втором этапе пробоотборник погружается в образованную после первого этапа скважину и заглубляется на 2 м, затем извлекается и из пробоотборника вынимается тонкостенная труба с керном почвы внутри рукава. Разделение на два этапа отбора проб улучшает качество отобранных кернов с сохранением ненарушенного сложения почвы на каждом этапе и ее исходной влажности за счет оптимальной их длины (1 м) и очень низкого сопротивления продвижению керна внутри рукава из пленки сложного полиэфира о его стенки.

В отделе механизации ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК был изготовлен экспериментальный образец (УОПТ-2) устройства для отбора проб почвы (рис. 7). Предварительные испытания проводились при агрегатировании его с трактором Беларус-320.4М.

Рисунок 7 – Общий вид экспериментального устройства для отбора проб почвы на тракторе Беларус-320.4М

Fig. 7 – Experimental soil sampling device on the tractor Belarus-320.4M

Результаты предварительных испытания переносного устройства для отбора проб почвы на аккумуляторе. Полевые испытания экспериментального устройства для отбора проб почвы (УОПТ-2) проводились совместно с лабораторией агротехники на полях ЦЭБ ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК способом, описанным выше.

Рукава с керном почвы внутри вынимались из тонкостенных труб легко, без залипания внутри трубы. Рукава из пленки сложного полиэфира предохраняли высы- хание образцов при раскладке в бюксы и взвешивании, так как этот процесс происходит в течении 15–20 мин на один керн почвы (10 бюксов).

Исходные данные проведенного опыта приведены в таблице 1.

Отбор рабочих проб почвы экспериментальным устройством проводился в четырехкратной повторности на расстоянии 700 мм вокруг контрольных скважин. Взятие контрольных образцов почвы выполнялось ручным буром по общепринятой методике.

Таблица 1

Исходные данные полевых испытаний отбора проб почвы экспериментальным устройством (УОПТ-2)

ЦЭБ ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК, г. Краснодар, 2025 г.

Table 1

Field test data on soil sampling using an experimental device (UOPT-2)

Central experimental station of V.S. Pustovoit All-Russian Research Institute of Oil Crops,

Krasnodar, 2025

Наименование исходных данных	Характеристики, параметры
Вид почвы	Чернозем
Влажность почвы	Высокая и очень высокая
Места отбора проб	2 участка
Место № 1	С очень высокой влажностью
Место № 2	С высокой влажностью почвы
Глубина отбора пробы почвы за один проход, мм	1000
Общее количество пробуренных скважин, шт.	10
Пробоотборник со сменной капсулой для приема керна почвы: длина капсулы, мм; диаметр капсулы, мм; внутренний диаметр капсулы, мм	1000 25 23
Материал капсулы	Алюминиевая труба
Материал вложенного в капсулу рукава из пленки	Полиэтилентерефталат
Примененные наконечники	Два вида с различными размерами
Температура окружающего воздуха, ºС	+30
Скорость ветра	От умеренного до сильного
Отбор почвы контрольной скважины	Ручной бур-пробоотборник
Отбор почвы скважин	Гидравлический бур (устройство отбора проб почвы на тракторе)

Схема отбора образцов почвы показана на рис. 8.

Рисунок 8 – Схема отбора проб почвы на тракторе

Fig. 8 – Diagram of a soil sampling on a tractor

Определение влажности почвы проводилось термостатно-весовым способом работниками лаборатории агротехники ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК.

График средних значений влажности рабочих проб почвы, отобранных экспериментальным устройством, и контрольного образца на участке № 1 показан на рисунке 9.

Горизонт, CM

Рисунок 9 – График средних значений влажности рабочих проб почвы, отобранных экспериментальным устройством, и контрольного образца на участке № 1 (ЦЭБ ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК, 2025 г.)

Fig. 9 – Graph showing the average moisture content of soil samples collected by the experimental device and the control sample at the site No. 1 (Central experimental station of V.S. Pustovoit All-Russian Research Institute of Oil Crops, 2025)

Анализ полученных данных показы- вает, что средние значения влажности проб почвы, отобранной устройством отбора проб почвы на тракторе на участке № 1, имеют отклонение от контрольной скважины по абсолютной величине в среднем 0,64 %.

График средних значений влажности проб почвы, отобранных экспериментальным устройством, и контрольного образца на участке № 2 показан на рисунке 10.

Рисунок 10 – График средних значений влажности проб почвы, отобранных экспериментальным устройством, и контрольного образца на участке № 2 (ЦЭБ ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК, 2025 г.)

Fig. 10 – Graph showing the average moisture content of soil samples collected by the experimental device and the control sample at the site No. 2 (Central experimental station of V.S. Pustovoit All-Russian Research

Institute of Oil Crops, 2025)

Анализ полученных данных показывает, что средние значения влажности проб почвы, отобранных экспериментальным устройством на участке № 2, имеют отклонение от контрольного образца по абсолютной величине в среднем 0,82 %.

Измерения усилий заглубления пробоотборника проводились на полях отделения № 2 ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК. В местах с разными показателями влажности почвы были пробурены в два этапа на глубину 2 м семь скважин с измерением усилий заглубления.

Результаты измерений усилий погружения пробоотборника в почву приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты измерений усилий заглубления пробоотборника в почву

Отделение № 2 ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК, 2025 г.

Table 2

Results of measurements of the force required to drive the soil sampler into the ground

Subdivision No. 2, V.S. Pustovoit All-Russian Research Institute of Oil Crops, 2025

№ скважины	Показатель влажности почвы, %	Глубина отбора керна почвы, мм	Длина керна почвы, мм	Усилие погружения, кг
				Среднее	Наибольшее
1	22 (средняя)	1000	890	300	360
		2000	1000	240	360
2	22 (средняя)	1000	970	380	420
		2000	960	320	480
3	22 (средняя)	1000	960	420	470
		2000	940	400	520
4	15 (низкая)	1000	940	450	680
		2000	930	520	620
5	15 (низкая)	1000	1000	560	590
		2000	990	500	600
6	20 (средняя)	1000	1000	430	580
		2000	860	450	520
7	10 (сухая)	1000	900	620	850
		2000	900	580	820

Анализ полученных данных показывает, что усилие заглубления пробоотборника зависит от влажности почвы и увеличивается от средней влажности к сухой от 360 кг до 850 кг. При этом длина полученного керна соответствует глубине отбора и не зависит от влажности.

Заключение. В результате проведённых научно-исследовательских и опытноконструкторских работ получено: эффективное устройство для отбора проб почвы навесного типа с приводом от гидросистемы трактора; оригинальная конструкция наконечника с режущими пластинами, позволяющая отбирать керны почвы с ненарушенной структурой и с меньшими усилиями заглубления пробоотборника по сравнению с наконечниками другой формы; новая конструкция пробоотборника, позволяющая получать керн в рукаве для возможной его транспортировки в целом виде и изучения в лаборатории.

Полученные в лаборатории агротехники данные по влажности образцов почвы, отобранных экспериментальным устройством и по общепринятой методике с использованием ручного бура, показали хорошую сходимость с предельным отклонением не более ± 1 %.

Гидропривод устройства от гидросистемы трактора обеспечивает надежную работу устройства при наибольших усилиях заглубления пробоотборника.

Необходимо провести производственные испытания экспериментального образца устройства для отбора проб почвы на тракторе, выявить конструктивные недочеты и устранить их. Разработать методику получения проб почвы.

На пробоотборник для отбора проб для отбора проб почвы получены патенты РФ на полезную модель № 234174 и № 237172 [7; 8].