CC BY
77
МЕХАНИЗАЦИЯ
]
DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10515 УДК 631.173.6: 631.372
Экологическая безопасность комплексной механизации агротехнологий возделывания сельскохозяйственных культур
И. И. ГУРЕЕВ, доктор технических наук, главный научный сотрудник (e-mail: gureev06@mail.ru)
Курский федеральный аграрный научный центр, ул. Карла Маркса, 70б, Курск, 305021, Российская Федерация
Резюме. Для соблюдения требований экологической безопасности по техногенному разрушению почвы движителями полевых агрегатов, уплотняющую нагрузку на неё регламентируют нормами стандарта. Согласно требованиям этого документа давление движителей оценивают без учёта характера взаимосвязи между трактором и агрегатируемой с ним сельскохозяйственной машиной при выполнении агроприё-мов. Цель исследований - экспериментальное определение влияния высоты прицепа сельскохозяйственной машины к трактору на плотность почвы по следу движителей. Испытания проводили на примере агрегата в составе трактора МТЗ 1221 и дисковой бороны БДП-3,2. Работу выполняли на стерневом фоне после уборки озимой пшеницы. Почва - чернозём выщелоченный среднесуглинистый влажностью 17,1 %. Твёрдость почвы по слоям: 0...5 см - 1,4 МПа; 5...10 см - 1,9 и 10... 15 см - 2,4 МПа. Высоту прицепа в эксперименте варьировали в интервале 0,45; 0,55; 0,65; 0,80 и 0,90 м. Плотность почвы определяли по следам движителей прибором Н. А. Качин-ского. Величина тягового сопротивления бороны изменялась в диапазоне 9,4±0,96 кН. С ростом высоты прицепа в диапазоне 0,45.0,90 м давление движителей на почву возрастало со 123 до 133 кПа (на 8,1 %). При этом плотность почвы по следам движителей повышалась с 1,34.1,38 до 1,45... 1,47 г/см3 (на 5,1.9,7 %). Давление движителей на почву также увеличивалось по мере роста тягового сопротивления сельскохозяйственной машины. Таким образом, положения ГОСТ, ограничивающие давление движителей на почву, действительны для неподвижного агрегата. При механизированном выполнении полевых работ их необходимо корректировать с учётом высоты прицепа сельскохозяйственной машины к трактору и её тягового сопротивления. Для снижения уплотняющих свойств движителей следует стремиться к понижению прицепного устройства, особенно при агрегатировании с сельскохозяйственными машинами, обладающими высоким тяговым сопротивлением.
Ключевые слова: почва, экологическая безопасность, сельскохозяйственные культуры, возделывание, адаптивные агротехнологии, комплексная механизация. Для цитирования: Гуреев И. И. Экологическая безопасность комплексной механизации агротехнологий возделывания сельскохозяйственных культур //Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 5. С. 62-64. DOI: 10.24411/0235-24512019-10515.
Основополагающее направление дальнейшего наращивания производства растениеводческой продукции - интенсификация земледелия. Распространению интенсивных технологий выращивания сельскохозяйственных культур непременно сопутствует увеличение количества агроприёмов и, соответственно, проходов машинотракторных агрегатов (МТА) по полю. В результате суммарная площадь следов их движителей зачастую в 2 раза превышает площадь обрабатываемого поля [1].
Современные МТА более производительны, а потому, наряду с высокой мощностью, они обладают повышенной массой. Экологические проблемы от использования тяжёлой техники выражаются в техногенной деградации почвы переуплотнением движителями,
что негативно сказывается на плодородии почв и их противоэрозионной стойкости[2].
Благоприятная для возделывания сельскохозяйственных культур плотность суглинистой почвы, превалирующей в Центрально-Чернозёмном регионе, не превышает 1,3 г/см3. Под воздействием ходовых систем сельскохозяйственной техники она повышается на 0,1.. .0,3 г/см3 и более, а плотность нижних горизонтов достигает 1,6.1,8 г/см3 [3]. По следам движителей уменьшается пористость почвы, отчего затрудняется доступ воздуха и питательных веществ к корням растений, а также уничтожаются гумусообразующие и рыхлящие почву живые организмы, обитающие в её верхних слоях [4].
Кроме того, у переуплотнённой почвы повышенное сопротивление обработке и худшее качество крошения. На глыбистой почве семена заделываются неравномерно, снижается их полевая всхожесть и, как следствие, уменьшается урожайность культур [5].
Так, на уплотнённых движителями участках поля после предпосевной обработки почвы урожайность ячменя снижалась на 2.15 %. При механизированном выполнении послепосевных приёмов подкормки и химической защиты растений уменьшение урожайности культуры по следам движителей достигало 18.47 %. Переуплотнению почвы способствовала повышенная её влажность и меньшая плотность до прохода машин [6].
Наиболее выражены негативные последствия переуплотнения у глинистой и суглинистой почвы [7].
Ограничение уплотняющей нагрузки движителей на почву регламентировано нормами стандарта [8]. Однако вменяемая ГОСТ методика ориентирована на оценку максимально допустимого давления движителей в статическом состоянии и не учитывает взаимосвязи между трактором и агрегатируемой сельскохозяйственной машиной, а результате которой перераспределяется нагрузка на оси трактора, сказывающаяся на уплотняющих свойствах движителей.
Рис.1. Схема силовой нагрузки на трактор в рабочем положении.
Известно, что для неподвижного агрегата на горизонтальной площадке тяговое сопротивление Р машины отсутствует, то есть силовой взаимосвязи между трактором и машиной нет [9]. В рабочем положении, когда Р>0, происходит перераспределение нагрузки на оси 1 и 2 трактора (рис. 1).
Величина нагрузки на движители У увеличивается и составляет:
РН
У = тв,+—, кН, 1
где т - коэффициент распределения веса трактора по осям; G1 - вес трактора, кН; Н - высота прицепа над поверхностью поля, м; ^ - продольная база трактора, м.
При этом давление движителей на почву р0 зависит от величины Р и конструктивных параметров агрегата. Определяют р0, исходя из величины вредной интенсивности механического воздействия на почву 1в при выполнении полевых работ:
бы прицепной вилки тягово-сцепного устройства трактора.
Агрофон - необработанная стерня после уборки озимой пшеницы. Почва - чернозём выщелоченный среднесуглинистый с наименьшей влагоёмкостью (НВ) 31 %. Средняя влажность почвы во время испытаний составляла 17,1 % и соответствовала 0,55 НВ. При такой влажности в осенний период давление на почву движителей не должно превышать 180 кПа [8]. Твёрдость почвы в слое 0...5 см была равна 1,4 МПа; в слое 5.10 см - 1,9; в слое 10.15 см - 2,4 МПа.
Эффективная мощность двигателя трактора Nд = 96 кВт, вес трактора G1 = 53 кН, коэффициент распределения веса по осям т = 0,65. Продольная база трактора ^ = 2,76 м, ширина и диаметр движителей, соответственно, Ь=0,92 и 0=1,75 м. Ширина захвата дисковой бороны В = 3,2 м, вес её G2 = 16,1 кН.
В эксперименте использовали следующие значения
Ро
1
bDf\
(mG^f
I W
'в™ _fQ _ps 3,6V 22
UW 3,6V
- f.G, - P5
,кПа; (1)
150
где G2 - вес сельскохозяйственной машины, кН; b - суммарная ширина движителей трактора, м; D -диаметр движителей, м; f1 - коэффициент снижения сопротивления перекатыванию движителей за счёт пневматических шин; f2 - коэффициент сопротивления сельскохозяйственной машины протаскиванию; W - основная производительность выполнения агро-приёма, га/ч; 5 - буксование движителей.
Выражение (1) формализует взаимосвязь давления движителей на почву p0 с тяговым сопротивлением P и высотой прицепа H. Но экспериментальные данные, свидетельствующие о значимости изменения плотности почвы р по следу движителей в зависимости от Н, отсутствуют, что не позволяет объективно оценивать уровень соблюдения требований экологической безопасности по техногенной деградации почвы.
Цель исследований -экспериментальное определение влияния высоты прицепа сельскохозяйственной машины к трактору на плотность почвы по следу движителей.
Условия, материалы и методы. Для достижения поставленной цели на базе Центрально-Чернозёмной машиноиспытательной станции (пос. Камыши Курской обл.) испытали МТА в составе трактора МТЗ 1221 и двухрядной прицепной бороны БДП-3,2 «Pallada». Сницу бороны сочленяли с трактором посредством тензометрического звена, которое фиксировало величину тягового сопротивления. Высоту прицепа бороны H изменяли смещением по вертикали ско-
1,5
1,45
1,4
1,35
1,3
▲ 1,4 7 00
00 00 00 •к"
▲ 1,38 «к» - - i к 1,38
i к 1,34
1,45
0,45 0,55 0,65 0,75 Высота прицепа Н, м
0,85
Рис. 2. Плотность почвы по следам движителей в зависимости от высоты прицепа сельскохозяйственной машины к трактору (данные получена В. П. Дьяковым и Г. К. Гребенщиковым).
высоты прицепа Н: 0,45; 0,55; 0,65; 0,80 и 0,90 м. Для каждого значения Н после рабочего прохода МТА по следам движителей трактора определяли плотность почвы прибором Н. А. Качинского.
М 140
0 с
га
1
® 130
ф н
со
1 120
ф
S
I
ф
ц
Ой
£ 110
.-•"Г
р- Р=5 кН
0,45
0,55 0,65 0,75
Высота прицепа Н, м
0,85
Рис. 3. Давление движителей на почву в зависимости от тягового сопротивления сельскохозяйственной машины и высоты прицепа.
Выполняли сплошную дисковую обработку почвы на глубину 12,6±2,1 см со скоростью V = 2,5 м/с. Величина тягового сопротивления бороны варьировала в диапазоне P = 9,4±0,96 кН (данные получены Ю. Ф. Лежневым).
Результаты и обсуждение. При влажности почвы в условиях испытаний вид функции плотности от давления на неё известен [10]. Эта функция линейная (рис. 2). Штриховой линией показана компьютерная аппроксимация линейной функции плотности почвы р = 0,245Н+1,24 г/см3 при fî=0,83.
Расчёты давления движителей на почву, выполненные по выражению (1) для трёх значений тягового сопротивления сельскохозяйственной машины (P = 5, 9,4 и 15 кН) при изменении высоты прицепа в диапазоне 0,45.0,9 м, свидетельствуют о прямой пропорциональной взаимосвязи p0 = р0(Н).
Анализ установленных взаимосвязей (рис. 3) показал, что для условий испытаний (P = 9,4 кН) с ростом высоты прицепа давление движителей на почву в соответствии с аппроксимируемым выражением p0 = 22,6Н+112 кПа увеличивается со 123 до 133 кПа (на 8,1 %). При этом плотность почвы по следам движителей повышается с 1,34.1,38 до 1,45.1,47 г/см3 (на 5,1.9,7%). Значение p0 также возрастает с увеличением тягового сопротивления агрегатируемой сельско-
хозяйственной машины. При Н=0,65 и увеличении Р с 5 до 15 кН давление движителей на почву возрастает со 120 до 136 кПа.
Таким образом, оценивая МТА на соответствие требованиям экологической безопасности по воздействию на почву движителей, следует учитывать не только массу трактора, но и характер его взаимосвязи с агрегатируемой машиной. К примеру, для рассматриваемого МТА при тяговом сопротивлении машины Р=9,4 кН и высоте прицепа Н=0,65 м фактическое давление движителей на почву составит 127, а не 112 кПа, если следовать положениям ГОСТ.
Выводы. Экспериментально подтверждено, что при работе МТА с увеличением высоты прицепа давление движителей на почву и, соответственно, плотность почвы по их следу значимо возрастает. Следовательно, положения ГОСТ, ограничивающие давление движителей, действительны для неподвижного агрегата. При механизированном выполнении полевых работ они подлежат корректировке с учётом тягового сопротивления машины и высоты прицепа её к трактору. Для уменьшения уплотняющих свойств движителей следует стремиться к понижению прицепного устройства, особенно при агрегатировании сельскохозяйственных машин, обладающих высоким тяговым сопротивлением.
Литература.
1. Уплотнение почв. URL: http://kalxoz.ru/str/poshva/6htm (дата обращения 18.03.2019).
2. Impacts of technology and the width of rows on water infiltration and soil loss in the early envelopment of maize on sloping lands / M. Herout, J. Koukolicek, D. Kincl, K. Pazderu, J. Tomasek, J. Urban, J. Pulkrabek// Plant Soil Environ. 2018. 64. Pp. 498-503.
3. Причины и последствия уплотнения почвы, пути решения проблемы. URL: https://studopedia.ru/3_25224_prichini-i-posledstviya-uplotneniya-pochvi-puti-resheniya-problemi.html(дата обращения 18.03.2019).
4. Influence of soil conservation practices on legume crops growth / J. Koukolicekt, M. Herout, J. Pulkrabek, K. Pazderuk// Plant Soil Environ. 2018. - 64. - Pp. 587-591.
5. Cay A. Impact of different tillage management on soil and grain quality in the Anatolian paddy rice production // Plant Soil Environ. 2018. 64. Pp. 303-309.
6. Влияние уплотнения и разрушения почвы движителями на урожайность сельскохозяйственных культур и энергозатраты. URL: https://bstudy.net/644038/tehnika/vliyanie_uplotneniya_razrusheniya_pochvy dvizhitelyami_urozhaynost_selskohozyaystvennyh_ kulturenergozatra (дата обращения 18.03.2019).
7. Mitigating arable soil compaction: Are view and analysis of available cost and Benefit data / W. C. Tim Charmen, A. P. Moxey, W. Towers, B. Balana, P. D. Hallett // Soil and Tillage Research. 2015. 146 (PA). Pp. 10-25.
8. ГОСТ 26955-86, ГОСТ 26953-86, ГОСТ 26954-86. Техника сельскохозяйственная мобильная. Нормы воздействия движителей на почву. Методы определения воздействия движителей на почву. Метод определения максимального нормального напряжения в почве. М.: Из-во стандартов, 1986. 22 с.
9. Гуреев И. И., Климов Н. С. Модель нормирования механической нагрузки на почву при комплексной механизации региональных агротехнологий// Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2018. № 1. С.49-54.
10. Медведев В. В., Цыбулько В. Г., Слободюк П. И. Нормирование допустимых нагрузок ходовых систем МТА на почву// Воздействие движителей на почву: Сб. научных трудов ВИМ. М. 1988. С.57-67.
Environmental Safety of Complex Mechanization of Agricultural Crops Cultivation Technologies
I. I. Gureev
Kursk Federal Agrarian Scientific Center, ul. Karla Marksa, 70 b, Kursk, 305021, Russian Federation
Abstract. To comply with environmental safety requirements for soil protection against anthropogenic degradation by field movers, the compacting load is regulated by the corresponding standards. According to the requirements of this document, the pressure of movers is estimated without taking into account the nature of the relationship between the tractor and the agricultural machine aggregated with it during cultivation. The purpose of the research was to experimentally determine the influence of the hooking place height of an agricultural machine aggregated with a tractor on the density of the soil on the trail of movers. The test was performed on a sample unit of MTZ 1221 tractor and BDP-3.2 disc harrow. The work was performed against the stubble field background after harvesting winter wheat. The soil was medium loamy leached chernozem of 17.1% humidity. Soil hardness by layers was: 0-5 cm - 1.4 MPa; 5-10 cm -1.9 MPa, and 10-15 cm - 2.4 MPa. The height of the hooking place in the experiment was 0.45 m, 0.55 m, 0.65 m, 0.80 m, and 0.90 m. The soil density was determined on the trail of movers using N. A. Kachinsky device. The value of the draft force varied in the range of 9.4 ± 0.96 kN. With an increase in the hooking place height in the range of 0.45-0.90 m, the pressure of the movers on the soil increased from 123 to 133 kPa (by 8.1%). The density of the soil on the trail of movers increased from 1.34-1.38 g/cm3 to 1.45-1.47 g/cm3 (by 5.1-9.7 %). The pressure of the movers on the soil also increased in the wake of growing draft force of the agricultural machine. Thus, the regulations of GOST, limiting the pressure of movers on the soil, are valid for a stationary unit. Mechanized field operations need to be corrected taking into account the hooking place height of an agricultural machine aggregated with a tractor and its draft force. To reduce the compacting properties of the movers, it is necessary to lower the hooking place, especially when a tractor is aggregated with agricultural machines characterized by high draft force.
Keywords: soil; environmental safety; agricultural crops; cultivation; adaptive agricultural technologies; complex mechanization. Author Details: I. I. Gureev, D. Sc. (Tech.), chief research fellow (e-mail: gureev06@mail.ru).
For citation: Gureev I. I. Environmental Safety of Complex Mechanization of Agricultural Crops Cultivation Technologies. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2019. Vol. 33. No. 5. Pp. 62-64 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10515.
