CC BY
8
УДК 631.31 (470.44)
DOI 10.24412/2311-6447-2023-1-162-168
Энергоемкость обработки почвы при комбинации отвального и плоскорезного технологических процессов
Energy intensity of soil tillage in combination of dumping and flat cutting processes
Профессор B.M. Бойков, профессор С.В. Старцев, доцент А.В. Павлов, доцент Е.С. Нестеров
Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова, кафедра технического обеспечения АПК, тел. +7 (8452) 74-96-56, [email protected]
Professor V.M. Boykov, Professor S.V. Startsev, Associate Professor A.V. Pavlov, Associate Professor E.S. Nesterov
Saratov State Agrarian University named after N.I. Vavilov, chair of Technical Support of the Agro-Industrial Complex, tel. +7 (8452) 74-96-56, [email protected]
AunomctuvM.. Для возделывания сельскохозяйственных культур основную обработкз' почвы выполняют по двум технологиям. Это процесс обработки почвы с оборотом пласта - отвальная технология, выполняемая лемешно-отвальными плугами общего назначения. И процесс рыхления пласта почвы без оборота пласта - плоскорезная технология, выполняемая плоскорезами-глубокорыхлителямн, Энергоемкость технологического процесса обработки почвы плоскорезами-глубокорыхлителями на 20-30 % ниже энергоемкости обработки почвы отвальными плугами. Предлагается объединить эти процессы отвальной и плоскорезной обработки почвы в единый процесс и снизить энергоемкость основной обработки почвы. Используя рациональную формулу академика В.П. Горячкнна рассчитали удельное тяговое сопротивление комбинации корпуса отвального плуга и стрельчатой лапы плоскореза-глубокорыхлителя. Приведены теоретические и экспериментальные зависимости удельной энергоемкости технологических процессов, выполняемых пахотным агрегатом К-701+ПВС-8 в фзкжщш скорости движения. В диапазоне скоростей 2,2-2,4 м/с и глубине пахоты 0,27 м энергоемкость составляет 31,6-39,3 кВт-ч/га.
Abstract. For the cultivation of agricultural crops, the main tillage is carried out using two technologies. This is a process of tillage with a formation turnover - a dump technology performed by general-purpose ploughshares. And the process of loosening the soil layer without turning the formation is a flat-cutting technology performed by deep-drilling flat-cutters. The energy intensity of the technological process of tillage with flat-cutters-deep-diggers is 20-30 % lower than the energy intensity of tillage with dump plows. It is proposed to combine these processes of dump and flat-cut tillage into a single process and reduce the energy intensity of the main tillage. Using the rational formula of Academician V.P. Goryachkin, the specific traction resistance of the combination of the body of the dump plow and the pointed paw of the plane-cutter-deep-loader was calculated. Theoretical and experimental dependences of the specific energy intensity of technological processes performed by the K-701+PBS-8 arable unit as a function of the speed of movement are given. In the speed range of 2.2-2.4 m/s and the plowing depth of 0.27 m, the energy intensity is 31.6...39.3 kWh/ ha.
Ключевые слова: почва, технология, вспашка, плоскорезная обработка, плуг, плоскорез-глубокорыхлптель, сопротивление, глубина, энергоемкость
Keywords: soil, technology, plowing, flat-cutting processing, plow, deep-drilling flat-cutter, resistance, depth, energy intensity
Отвальная вспашка используется для обработки почвы с оборотом п крошением пласта с заделкой стерни, растительных остатков, органических и сидеральных удобрений на дно борозды. Перемещение поверхностного слоя почвы путем оборачивания в глубь почвенного горизонта также способствует выполнению
€> В.М. Войков, C.B. Старцев, A.B. Павлов, Е.С. Нестеров, 2023
механического уничтожения сорняков и вредителей культурных растении. Исключается химическое и биологическое воздействие, что отражается на экологии окружающей среды (рис. 1.) [1,2,3].
Рпгкппшрннпя ппчЬп
Плужная подошба Стерня Солома
Рис. 1. Схема технологического процесса основной отвальной обработки почвы
Плоскорезная обработка почвы исключает оборот почвенного пласта, на поверхности взрыхленной почвы частично сохраняется стерня, защищающая почву от ветровой и водной эрозии [4,5]. Такой прием безотвальной обработки получил распространение в земледельческих районах недостаточного увлажнения как способ накопления и сохранения влаги в почве (рис. 2.).
Рис. 2. Схема технологического щюцесса плоскорезной обработки почвы
Большая ширина захвата, малое удельное сопротивление плоскорезов-глубокорыхлителей способствуют повышению производительности труда, уменьшению затрат рабочего времени, топливо-смазочных материалов на единицу выполненной работы [5, 6]. Типовыми нормативами установлено, что расход топлива на отвальной обработке составляет в среднем 25-27 кг/га, а на плоскорезной 12-17кг/га [ 7].
Рабочие органы плоскорезов-глз'бокорыхлителей выполняются в виде симметричных стрельчатых лап, а рабочие органы отвальных плугов в виде корпусов, состоящих из лемеха, отвала и полевой доски. Академиком В.П. Горячкиным и другими авторами установлено, что при взаимодействии лемешно-отвального корпуса плуга с пахотным слоем давление на лемех приходится 50-70 %> на отвал 10-12 %и на полевую доску 20-25 % [8-10]. При взаимодействии корпуса плута с обрабатываемым пахотным слоем полевая доска не участвует в процессе крошения и оборота обрабатываемого пласта почвы. Однако на взаимодействие полевой доски со стенкой обрабатываемого пласта почвы затрачивается 20-25 % энергозатрат, расходуемых на реализацию технологического процесса основной отвальной обработки почвы.
Из вышеизложенного следует, что энергоемкость выполнения технологического процесса основной обработки почвы плоскорезами-глубокорыхлителями на 20-30 % ниже энергоемкости обработки почвы лемешно-отвальными плутами. Если объединить оба технологических процесса отвальной и плоскорезной обработки почвы, можно снизить энергоемкость основной обработки почвы. Можно создать комбини-
рованный рабочий орган, состоящий из элементов корпуса плута и стрельчатой лапы.
Цель исследований - разработка энергосберегающего технологического процесса основной обработки почвы путем комбинации технологий отвальной и плоскорезной обработки почвы при условии соблюдения агротехнических требований. Теоретические исследования проводили с использованием основных положений классической и земледельческой механики, математики и сопротивления материалов. Экспериментальные исследования осуществляли в хозяйственных условиях в соответствии с ГОСТ Р 52778-2007.
Для снижения энергоемкости технологического процесса основной обработки почвы, предлагается комбинация отвальной и плоскорезной обработки почвы (рис. 3). При этом необходимо слой почвы разделить по глубпне на две части. Нижнюю часть обрабатываемого слоя только рыхлить, а верхнюю часть крошить, оборачивать и укладывать на разрыхленную нижнюю часть.
Рис. 3. Схема комбинации отвальной и плоскорезной обработки почвы
Для определения энергоемкости комбинированного техпроцесса используем рациональную формулу академика В.П. Горячкина расчета тягового сопротивления почвообрабатывающего орудия [8] :
* Я„ = в/ + каВ + еаВиг„ (1)
где Нп- тяговое сопротивление почвообрабатывающего орудия, Н; О - сила тяжести почвообрабатывающего орудия, Н; /- коэффициент трения корпуса почвообрабатывающего орудия о почву; к - коэффициент, характеризующий способность почвенного пласта сопротивляться деформации, Н/м2; а - глубина обработки почвы, м; В - ширина захвата почвообрабатывающего орудия, м; г - коэффициент, зависящий от формы рабочего органа и свойств почвы, кНс2/м4; и - рабочая скорость пахотного агрегата, м/с.
Для исследований примем корпус лемешно-отвального плуга общего назначения ПНЛ [1,11] и стрельчатую лапу плоекореза-глубокорыхлителя ПГ [1], агрегатпру-емые с тракторами тягового класса 5. Для корпуса плуга ПНЛ, выполняющего процесс по схеме (рис. 1), используем значения коэффициентов =0,5, к 1=35,5 кН/м2, £;=3,43 кНс2/м4. Для стрельчатой лапы плоскореза-глубокорыхлптеля ПГ, выполняющей процесс по схеме (рис. 2) используем значения коэффициентов /з =0,655, к? =31,3 кН/м2, &2 =1,46 кНс2/м4. В расчетах принимаем ширину захвата обоих рабочих органов одинаковой.
Известно [12], что удельное тяговое сопротивление почвообрабатывающего орудия Нп равняется:
к = 1?п/аЬкПк, (2)
где пк - количество рабочих органов, шт; Ьк -ширина захвата рабочего органа, м.
На основании формулы (1) тяговое сопротивление корпуса ПНЛ:
1*1 = йф +/сгаЬг+£;аЬг и2, (3)
где в] - ширина захвата корпуса лемешно-отвального плута , м.
(4)
Тяговое сопротивление стрельчатой лапы ПГ: Ro = G2/2 + k.2ab2 + £2Clb2U2, где в2 - ширина захвата стрельчатой лапы, м.
Тогда определим удельное тяговое сопротивление корпуса ПНЛ:
Kyi = [ Gifi + kiabi + eiabiu2]/ a ■ вj, (5)
и удельное тяговое сопротивление стрельчатой лапы ПГ:
Куг = /G2/2 + k.2ab2 + £2db2V2l / а ■ в2 . (6)
Зависимости удельного тягового сопротивления отвального и плоскорезного корпуса от скорости движения, при глубине обработки почвы а=0,27 м, представлены на рис. 4. Анализ зависимостей (рис. 4) показывает, что разница величины сопротивления корпуса плуга по сравнению с сопротивлением стрельчатой лапы плоскореза-глубокорыхлителя в диапазоне изменения скоростей от 1,5 до 2,7 м/с составляет 23,16-31,11 %.
Ку,
Н/см' 6.5
6.0 5.5 5.0 i,5 i.O
/
X J_
/ 2
К 1.6 1.8 2.0 22 2Л 2.6 О м/с
Рис. 4. Зависимость удельного тягового сопротивления Ку от скорости и: 1 - отвальный корпус плуга; 2 - стрельчатая лапа
Используя схему комбинаций (рис. 3) и зависимости (рис. 4) разработали энергосберегающий технологический процесс основной обработки почвы (рис. 5) [12]. На поле после уборки урожая предшественника первоначально производится подрезание объема почвы сечением а*(Ь\+Ь2\ на глубину а, при этом почва крошится и разделяется на две части. Одна часть шириной Ь\ перемещается на необработанный пласт почвы, при этом происходит образование открытой борозды. Вторая раскрошенная часть почвы шириной Ьг опускается на дно борозды. Затем происходит вырезание и крошение следующего пласта почвы сечением ау(Ь\+1У2)- Прп этом часть пласта почвы ау Ь\ объединяется с ранее раскрошенным пластом «^<¿>2 и перемещается с оборачиванием в открытую борозду. Далее технологический процесс обработки почвы повторяется аналогично предыдущим операциям.
Рис. 5. Схема технологического процесса при комбинации отвальной и плоскорезной обработки почвы
С учетом схемы разработанного технологического процесса (рис. 5) и выражений (5, 6) рассчитали его энергоемкость Э:
Э = (Gifi +[k}(ab; -0,5а2)+ sjfab, -0,5а?)и2 ¡0,75 + + G'2/2 + k2(ab2 +0,5a2) + e2(ab2 +0,5a2)u2 > / 0,36(bi+ b2), где bî=0,4м - ширина захвата правого лемеха; а=0,27м - глубина обрабатываемого слоя почвы; /г=0,5 - коэффициент трения корпуса плуга о почву; ki= 35,5 кН/м2 -коэффициент, характеризующий способность почвенного пласта сопротивляться деформации (правый лемех); £j=3,43 кНс2/м4 - коэффициент, зависящий от формы отвала и свойств почвы; Gi =2,74 кН - сила тяжести корпуса плуга с правым лемехом; £>2=0,22м -ширина захвата левого лемеха; f2 =0,655-коэффициент трения левого лемеха о почву; k2 =31,3kH/m2 - коэффициент, характеризующий способность почвенного пласта сопротивляться деформации (левый лемех); «2=1,46 кНс2/м4 -коэффициент, зависящий от формы стрельчатой лапы и свойств почвы; Ог=1,4кН -сила тяжести корпуса с левым лемехом.
Для реализации комбинации отвального п плоскорезного технологического процесса разработан и изготовлен лемешно-отвальный плуг ПВС-8 к тракторам тягового класса 5 (рис. 6) [13]. Энергетические показатели пахотного агрегата в составе трактора К-701 и плуга ПБС-8 определялись на поле после уборки ярового ячменя. На поверхности поля находилась стерня высотой в среднем 13,6 см, с общей массой пожнивных остатков 465,0 г/м2. Поле было ровным, по составу почва - чернозем обыкновенный среднесуглинистый, не засоренный камнями. Влажность почвы на глубине 0-27 см составляла от 15,4 до 17,7 %, твердость почвы от 2,0 до 3,8 МПа.
Рис. 6. Лемешно-отвальный плуг ПБС-8 Исследование обработанного пласта в вертикально-поперечной плоскости почвы свидетельствует о том, что технологический процесс, выполняемый плутом с комбинированными рабочими органами, полностью соответствует теоретически разработанному энергосберегающему технологическому процессу основной обработки почвы (рис. 5). Ниже горизонта расположения стерни и растительных остатков пласт почвы находился в раскрошенном состоянии аналогично структуре почвы, получаемой в результате работы плоскорезов-глубокорыхлителей.
На рис. 7 представлены зависимости энергоемкости технологического процесса обработки почвы от скорости движения, выполняемого плутом ПВС-8 при различной глубине пахоты.
э,
кВтч/га 40
30
20
П 1.6 1.8 2.0 2.2 2Л 2.61) м/с
Рис. 7. Зависимость энергоемкости основной обработки почвы от скорости движения агрегата К-701+ПБС-8: 1 - экспериментальная глубина обработки почвы а = 0,16 м; 2 - а = 0,27 м; теоретическая 3 - а = 27 см
2
—•— ;
Из графика (рис. 7) видно, что экспериментальная и расчетная зависимости энергоемкости пахотного агрегата от скорости движения имеют одинаковую закономерность. Энергоемкость технологического процесса обработки почвы, выполняемого агрегатом К-701 и плугом ПБС-8, в диапазоне скоростей 2,2-2,4 м/с, составляет 31,6-39,3 кВт-ч/га.
Анализ зависимостей удельной энергоемкости технологических процессов, выполняемых по рис. 5 пахотным агрегатом К-701+ПВС-8 в функции скорости движения, показывает, что экспериментальная и расчетная зависимости имеют одинаковую закономерность. Разница величин в диапазоне скоростей 1,75 м/с и 2,30 м/с составляет 28-33 %. На глубине пахоты 0,27 м и скорости движения агрегата 2,22 м/с, часовая производительность агрегата составляет 2,87 га/ч, погектарный расход топлива 10,45 кг/га при этом показатели качества выполнения энергосберегающего технологического процесса соответствовали агротехническим требованиям, предъявляемым к основной обработке почвы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Халанский, В.М. Сельскохозяйственные машины / Халанский В. М., Горбачев И. В.//- М.: Колосс, 2003. - 623 С.
2. Сравнительный анализ технического уровня плутов по результатам испытаний на машиноиспытательных станциях. ФГБУ ГИЦ. Солнечногорск, 2014,- 110 с.
3. Классическая технология обработки почв. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http : / / agromh. com / klassicheskaya- tehnologiya-obrabotki- p / (дата обращения 19.11.2022).
4. Дринча, В.М. Агротехнические аспекты развития почвозащитных технологий / В.М. Дринча, И.В. Борисенко, Ю.Н. Плескачев. - Волгоград, Перемена, 2004. -146 с.
5. Борисенко, И.Б. Совершенствование ресурсосберегающих и почвозащитных технологий и технических средств обработки почвы в острозасушливых условиях Нижнего Поволжья: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / И.Б. Борпсенко; Чебоксары, 2006. -53 с.
6. Тарасенко, Б.Ф. Комплексная оценка машин для безотвальной обработки почвы / Б.Ф. Тарасенко // Политематическпй сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2011. - №66(02). -6 с. (http://ej.kubagro.ru/201 l/02/pdf/16.pdf)
7. Единые нормы выработки и расхода топлива на механизированные полевые работы в сельском хозяйстве (Текст документа по состоянию на июль 2011 года). // Информационно-правовой портал «Best Pravo». - 28 с.
8. Николаев, В.А. Затраты энергии на преодоление трения полевой доски плуга о почву / В.А. Николаев, Д.В. Попов // Тракторы и сельхозмашины. 2010. № 11. с. 18-20.
9. Лобачевский, Я.П. Влияние сил трения и прилипания почвы на технологический процесс почвообрабатывающих рабочих органов / Я.П. Лобачевский // Развитие технической базы агропромышленного комплекса. - М., 2000, -С.47-53.
10. ГОСТ 26677 - 85. Плуги общего назначения. Общие технические требования.
11. Скороходов, А.Н. Производственная эксплуатация машинно-тракторного парка / А.Н. Скороходов, А.Г. Левшин. М.: ВИВКОМ; 2017.-478 с.
12. Патент РФ №2442303. Способ основной обработки почвы. В.М. Бойков, C.B. Старцев, В.М. Пронин, A.B. Павлов, Е.В. Бойкова, Ю.Ф. Курдюков. МПК А01В 79/00 ; заявл. 17.08.2010; опубл.20.02.12, Бюл. № 5.-5с.:
13. Навесные плуги ПБС. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https:// плугппбс.рф/ (дата обращения 19.11.2022)
REFERENCES
1. Khalansky, V.M. Agricultural machines/Khalansky V.M., Gorbachev I.V.//- M.: Koloss, 2003. - 623 C.
2. Comparative analysis of the technical level of plows based on the results of tests at machine testing stations. FSBI GIC. Solnechnogorsk, 2014.- 110 p.
3. Classical soil processing technology. [Electronic resource]. Access mode: http:// agromh.com/klassicheskaya-tehnologiya-obrabotki-p/ (date of the cut 19.11.2022).
4. Drincha, V.M. Agrotechnical aspects of the development of soil protection tech-nologies/V.M. Drincha, I.B. Borisenko, Yu.N. Pleskachev. - Volgograd, Change, 2004. -146 s.
5. Borisenko, I.B. Improvement of resource-saving and soil-protecting technologies and technical means of soil cultivation in the acutely dry conditions of the Lower Volga region: author, dis.... Dr. Tekhn. sciences/I.B. Borisenko; Cheboksary, 2006. -53 p.
6. Tarasenko, B.F. Integrated assessment of machines for non-shaft tillage/B.F. Tarasenko//Politematic network electronic scientific journal of Kuban State Agrarian University. - 2011. - Ne66(02). -6 c. (http://ej.kubagro.ru/2011/02/pdf/16.pdf)
7. Uniform standards of fuel generation and consumption for mechanized field work in agriculture (Text of the document as of July 2011) .//Best Pravo Information and Legal Portal. - 28 s.
8. Nikolaev, V.A. Energy costs for overcoming the friction of the plough field board on the soil/V.A. Nikolaev, D.V. Popov//Tractors and agricultural machines. 2010. № 11. from. 18-20.
9. Lobachevsky, Ya. P. Influence of friction forces and soil adhesion on the technological process of tillage working bodies/Ya. P. Lobachevsky//Development of the technical base of the agro-industrial complex. - M., 2000, -S.47-53.
10. GOST 26677 - 85. General purpose plows. General technical requirements.
11. Skorokhodov, A.N. Production operation of the machine and tractor fleet/A.N. Skorokhodov, A.G. Levshin. M.: BIBKOM; 2017. -478 p.
12. Russian Patent No. 2442303. Method of basic tillage. V.M. Boykov, S.V. Startsev, V.M. Pronin, A.V. Pavlov, E.V. Boykova, Yu.F. Kurdyukov. IPC AOIV 79/00; application 17.08.2010; op. 20.02.12, Bui. No. 5.-5s.:
13. Umbilical plows. [Electronic resoui*ce]. Access mode: https://плугипбс.рф/ (accessed date 19.11.2022)
