CC BY
31ТЕХНОЛОГИИ echnologies
ОРУДИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СИДЕРАТОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЧВЫ В ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ
Бобков Сергей Иванович,
кандидат технических наук 8-7142-55-81-46 sergbobkov@mail. т
Астафьев Владимир Леонидович,
доктор технических наук, профессор 8-7142-55-81-46 celinnii@mail. т
Костанайский филиал товарищества с ограниченной ответственностью «Казахский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (г. Костанай, Казахстан)
УДК 631.319.06
Аннотация. В статье говорится о необходимости формирования мульчирующего слоя в технологии органического земледелия и представлено обоснование параметров орудия для прикатывания и измельчения сидератов на поверхности почвы.
Целью проведения исследования является разработка орудия для измельчения сидератов на поверхности почвы, обеспечивающего повышение производительности при обеспечении
соответствующего качества технологического процесса. Это связано с тем, что разработка подобного орудия особенно актуальна в настоящее время, когда использование побочной продукции растениеводства (пожнивных остатков) и сидератов в соединении с другими факторами даёт широкие возможности повышения плодородия почвы.
При проведении исследований использовались теоретические и экспериментальные методы, основанные на применении основных положений земледельческой механики, теории
сельскохозяйственных машин и методов измерений, регламентируемых нормативной документацией.
В статье приведены результаты исследований, в результате которых обоснована конструктивно-технологическая схема орудия для измельчения растений и формирование мульчи на поверхности почвы. Также приведено обоснование параметров прикатывающего катка с измельчающими элементами, который является основным рабочим органом. Кроме того, представлены основные результаты экспериментальных исследований, которые подтверждают результаты теоретических
исследований по обоснованию параметров катка. На основании проведенных исследований сделан вывод о том, что применение орудий с обоснованной конструктивно-технологической схемой в технологии органического земледелия обеспечивает качественное измельчение растений и формирование мульчи на поверхности почвы.
Ключевые слова: органическое земледелие, плодородие почвы, мульчирующий слой, измельчение сидератов, орудие для измельчения сидератов.
ТЕХНОЛОГИИ echnologies
TOOL FOR CRUSHING GREEN MANURE ON THE SURFACE OF THE SOIL IN
ORGANIC FARMING TECHNOLOGY
Abstract. In the article, the authors discuss the necessity of the mulching layer in organic farming technology and provide substantiation of parameters of a machine for packing and chopping of green manure on soil surface.
The purpose of the research is to develop a machine for chopping of green manure on soil surface, which increases productivity and provides proper quality of the technological process. Developing such a machine is a quite urgent problem at present when the use of stubble remains and green manure in aggregate with other factors provides opportunities for increasing the fertility of the soil.
When carrying out the research the authors used theoretical and experimental methods based on applying the fundamentals of the agricultural mechanics, the theory of agricultural machines and methods of measurement regulated by normative documents.
In the article, the authors present the results of the research that substantiate a constructive-technological scheme of the machine for chopping of green manure and mulching of soil surface. Also the authors present the substantiation of the parameters of a roller with chopping elements that is the main working tool. Besides the authors present the results of experimental research which confirm the theoretical research on parameters of the roller. Based on the conducted research the authors concluded that the developed machine provides quality chopping of green manure and mulching of soil surface in organic farming technology.
Key words: organic farming, soil fertility, mulching layer, chopping of green manure, machine for crushing of green manure.
1. Введение
В настоящее время расширяется применение экологически чистой технологии органического земледелия, практика применения которого нацелена в первую очередь на постоянную работу по повышению естественного плодородия почвы. При этом огромную роль в органическом земледелии играет создание мульчирующего слоя на поверхности почвы. Мульча, во-первых, служит питанием для почвенных микроорганизмов, а значит, способствует увеличению гумуса. Во-вторых, не даёт испаряться влаге, содержащейся в почве. В-третьих, защищает почву от образования корки во время проливных дождей [1,2]. Установлено, что уложенная на поверхность почвы без её рыхления растительная масса в качестве мульчирующего слоя также повышает её плодородие, как и заделка в поверхностный
Sergey I. Bobkov,
candidate of technical science 8-(7142) 55-81-46 sergbobkov@mail. ru
Vladimir L. Astafyev,
doctor of technical science, professor 8-(7142) 55-81-46 celinnii@mail. ru
Kostanai branch LLP «Kazakh scientific research Institute of mechanization and electrification of agriculture » (Kostanai, Kazakhstan)
Щ ТЕХНОЛОГИИ lechnologies
ISSN: 2658-4018
слой почвы [1-5]. Сформированный плотный мульчирующий слой из растительной массы на поверхности почвы, способствует образованию условий для препятствия испарения влаги из её верхних слоев, при этом растения в результате контакта с почвой и при наличии влаги начинают разлагаться бактериями и отдавать часть питательных элементов в её верхние слои. Кроме того, сидераты оставляют в верхних слоях почвы корни, которые также перерабатываются в органическое вещество. В толще почвы корневая система образует очень густую сетку, пронизывая по существу весь почвенный профиль. Установлено, что биомасса корней под природной растительностью составляет от 8,5 до 20,5 т сухого вещества на 1 га [6], а масса корней в метровой толще темно-каштановых почв, которые преобладают в основных зерносеющих регионах Казахстана, может достигать до 30 т сухого вещества на 1 га. Отмирая, корни доставляют материал для гумусообразования практически во все участки почвенной толщи, в результате чего и образуется однородный гумусо-аккумулятивный горизонт [6].
Также корневая система сидератов, используемых в качестве мульчи, остается в почве и закрепляет её, пронизывая глубокие слои, что обеспечивает так называемый «биологический» вертикальный дренаж. Корневая система, оставленная в почве без её рыхления, за счет разложения способствует снижению её плотности и обогащает почву органическим веществом, что создает оптимальные условия для естественного накопления питательных элементов [7]. При этом имеющийся в почве гумус, не будет подвергаться минерализации, поскольку не будет доступа кислорода, т.е. запас питательных элементов останется нетронутым, что создает резерв для будущих урожаев.
Что можно и нужно использовать в качестве мульчирующих (покровных) материалов земледельцу? В принципе для этой цели подходит любая органика, имеющаяся на поле. Чаще всего используются сидераты, скошенная трава, пожнивные остатки, которые успешно заменяют внесение навоза, компоста и минеральных удобрений [8].
Для создания мульчирующего слоя могут использоваться косилки, при этом растения остаются на поверхности почвы без прикатывания и измельчения, что ухудшает их контакт с почвой, способствует быстрому иссушению и может создавать помеху для последующих операций. В настоящее время для измельчения и укладки растений на поверхности почвы применяются машины с приводом от ВОМ трактора: навесные измельчители сидератов ИС-3 в агрегате с тракторами тягового класса 2 или прицепные косилки-измельчители, типа КИР-1,5, которые агрегатируются с тракторами тягового класса 1,4. Однако, по нашему мнению, более целесообразно применение прицепных катков-измельчитетелей, которые, перекатываясь по поверхности поля за счет тяги энергосредства, под действием собственной массы на высокой рабочей скорости (до 20...25 км/ч) прикатывают и измельчают растения-сидераты на поверхности почвы.
2. Методы и материалы
В Костанайском филиале ТОО «КазНИИМЭСХ» ведутся работы по обоснованию параметров и режимов работы подобного высокопроизводительного катка-измельчителя, который будет адаптирован к зональным условиям северного региона Казахстана и обеспечит качество измельчения сидератов на поверхности почвы для формирования мульчирующего слоя при работе на высоких скоростях.
При проведении исследований использовались теоретические и экспериментальные методы, основанные на применении основных положений земледельческой механики, теории сельскохозяйственных машин и методов измерений, регламентируемых нормативной документацией.
ТЕХНОЛОГИИ echnologies
3. Результаты
На основании проведенных исследований была обоснована конструктивно -технологическая схема орудия, представленная на рисунке 1. При обосновании параметров основного рабочего органа - катка-измельчителя, учитывалось, что уложенные на поверхности поля растения имеют мягкую структуру и легко сдавливаются катком, поэтому, каток, перекатываясь по поверхности почвы, неминуемо испытывает сопротивление со стороны почвы. Чем тяжелее каток и меньше его диаметр, тем больше вероятность того, что перед ним начнет образовываться валик из почвы и растений. Основными параметрами, которые учитывались - это диаметр катка Dl, высота режущего элемента Ь, количество режущих элементов П1 .
4 1
1 - рама; 2 - прикатывающий каток с режущими элементами 3; 4 - прицепное устройство; 5 - транспортные колеса
Рисунок 1. Схема орудия для прикатывания и измельчения пожнивных остатков и сидератов на поверхности почвы для создания мульчирующего слоя
В этом случае связь между диаметром катка Dl, его шириной Ы, удельной массой катка на 1 м его ширины захвата Q и тяговым сопротивлением Р1 его перекатывания возможно установить формулой Грандвуанэ-Горячкина [9]:
О2
Я1>т=^= , (1)
где q - коэффициент объемного сопротивления почвы, кг/см3 (1,0.. .2,5 [9]).
У катков подобного типа удельная масса орудия Q составляет не менее 1000 кг на 1 м ширины захвата. При такой удельной массе Q, в соответствии с формулой (1) диаметр катка должен составлять не менее 530 мм, график представлен на рисунке 2.
Бь мм
550 500 450 400
700 800 900 1000 1100 кг/м Рисунок 2. Зависимость минимально-допустимого диаметра катка от удельной
вертикальной нагрузки
ТЕХНОЛОГИИ echnologies
Но предназначение прикатывающего катка не только прикатывание растений-сидератов к поверхности поля, но и их измельчение, поэтому на поверхности катка необходима установка режущих элементов. Количество режущих элементов П1 зависит от заданной длины резки Ьр и диаметра катка Б1, которые представлены на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема для определения рабочего диаметра катка и количества режущих
элементов
Длина резки Ьр определяется в соответствии с агротехническими требованиями на измельчение и заделку пожнивных и растительных остатков в поверхностный слой почвы. Кроме того, необходимо исходить из требований на условия проведения последующих операций после измельчения сидератов на поверхности почвы. Последующие операции - это безотвальная осенняя обработка почвы, либо предпосевная культивация, либо прямой посев. Согласно существующим требованиям на поверхности поля допускается наличие растительных остатков длиной до 25...30 см для безотвальной обработки и предпосевной культивации, для прямого посева допускается наличие мульчирующего слоя [10]. С учетом того, что традиционная ширина междурядья при посеве составляет 22,8 см, было принято, что длина резки должна составлять не более 20.30 см, при которой измельченные растения не будут препятствовать прохождению сошников сеялок. При этом количество фракций до 20 см не должно быть менее 60 %, а фракций до 30 см - не менее 80 %.
Если каток имеет П1 режущих элементов, то для выполнения агротехнических требований с учетом того, что радиус катка Я = Б1/2 + Ь, должно выполняться условие:
„ * < V (2)
С другой стороны, режущий элемент будет вдавливаться в почву на АЬ. Принимая то, что соседние режущие элементы, подойдя вплотную к почве, но ещё не будут контактировать с ней, чтобы на них не переносилась часть нагрузки, и то, что угол контакта ак = 2п/п1, это можно записать равенством:
(т+ь-Ч (3)
Представив уравнения (2) и (3) в виде системы уравнений после преобразований получим:
COS
20
2
= 1-
Ab
2
(4)
Принимая значение величины врезания (вдавливания) режущего элемента ДЬ в почву не более 5,5 см (по данным предварительных замеров), решением уравнения (4) являются значения Ф1/2 + Ь), не менее 36,5 см, т.е. рабочий диаметр Dlр (с учетом высоты режущего элемента) должен быть не менее 730 мм. При этом рабочий диаметр Dlр должен соответствовать условию:
D1p = D1 + 2b.
(5)
Если учесть, что диаметр Di катка в соответствии с выражением (1) должен быть не менее 530 мм, а рабочий диаметр Dip не менее 730 мм, то из формулы (5) вытекает, что высота режущего элемента b должна быть не менее 100 мм. С учетом этого из выражения (2) следует, что при длине резки до 20 см на катке должно быть установлено не менее 12.. .14 режущих элементов.
На основании проведенных исследований обоснованы параметры ножевого катка, изготовлен экспериментальный образец орудия (рисунок 4 а) для прикатывания и измельчения сидератов на поверхности почвы и проведены экспериментальные исследования с целью уточнения его удельной массы и скоростного режима работы, которые оказывают влияние на качество измельчения растительной массы на поверхности почвы. Экспериментальный образец орудия шириной захвата 3 м, представляющий собой установленные на раме три секции прикатывающих водоналивных катков с жестко закрепленными на них режущими элементами, был выполнен в полуприцепном варианте и агрегатировался с трактором МТЗ-80 тягового класса 1,4.
а) б )
а) - общий вид экспериментального образца; б) - фон поля после прохода агрегата
Рисунок 4. Экспериментальный образец орудия и фон поля после обработки
Исследования проводились на сидеральном пару, засеянным донником (рисунок 4б). Средняя масса растений составила 11,5 т/га, средняя высота растений 58,4 см, при этом средняя влажность почвы в слое 0.15 см составила 15,4% при твердости 2,1 МПа.
6
Щ ТЕХНОЛОГИИ lechnologies
ISSN: 2658-4018
Фон поля до и после прохода орудия представлен на рисунке 4 б.
Как видно из рисунка 4 б экспериментальный образец орудия прикатывает и мульчирует поверхность поля по всей ширине захвата, при этом измельченные растения остаются на поверхности, а корневая система остается в почве без измельчения.
Удельная масса орудия изменялась за счет налива воды в катки и дополнительных балластных грузов. Масса составляла 700 кг с катками без воды, 900 кг с водой и 1000 кг на 1 метр ширины захвата с дополнительными балластными грузами. Замеры проводились при движении трактора на пяти передачах: 5, 6, 7, 8 и 9 (с понижающим редуктором). При этом диапазон скоростей изменялся от 10,8 км/ч до 25,6 км/ч для орудия с удельной массой 700 кг/м, от 10,6 км/ч до 23,4 км/ч для орудия с удельной массой 900 кг/м и от 10,4 км/ч до 23,1 км/ч для орудия с удельной массой 1000 кг/м.
Для определения качества измельчения сидератов на поверхности почвы для пяти вариантов рабочих скоростей, при которых изменялась удельная масса орудия, после прохода экспериментального образца орудия на учетных площадках была определена масса растительных фракций различной длины: 0.5 см; 5.10 см; 10.15 см; 15.20 см; 20.25 см; 25.30 см и более 30 см. По результатам замеров определялась степень измельчения Сизм растений, т.е. содержание фракций до 20 и до 30 см.
Установлено, что для вариантов орудия с удельной массой 900 и 1000 кг/м степень измельчения Сизм соответствует нормативной для диапазона рабочих скоростей 10,6-17,9 км/ч и 10,4-17,5 км/ч соответственно. Содержание растительных фракций до 20 см на этих скоростных режимах составляет, соответственно, 59,9 % и 67,2 %, фракций до 30 см - 84,3 % и 89,2 % (рисунки 5,6).
У варианта орудия с удельной массой орудия 700 кг/м качество измельчения было наихудшим и обеспечивалось при скорости до 13,0...14,0 км/ч. Но при более высокой скорости
- 23,0.25,6 км/ч качество измельчения для всех вариантов не соответствует нормативной. Так при рабочей скорости движения 23,6 км/ч и 23,0 км/ч количество фракций до 20 см для катка с удельной массой 900 кг и 1000 кг составляет 49,5 % и 55,1 % соответственно, а количество фракций до 30 см - 72,2 % и 73,4 %.
Для определения производительности агрегата была проведена эксплуатационно-технологическая оценка в соответствии с ГОСТ Р 52778 [11]. При проведении работ, катки орудия были заполнены водой, т.е. его удельная масса составляла 900 кг/м. Установлено, что средняя рабочая скорость движения агрегата составила 15,2-17,9 км/ч, при которой обеспечивается качество выполнения технологического процесса. При этом производительность за час основного времени составила 4,26-5,01 га, за час сменного времени
- 3,50-4,10 га.
Установлено, что коэффициент использования времени смены составил 0,83. В процессе проведения эксплуатационно-технологической оценки случаев забивания катка-измельчителя почвой и растениями в зонах между режущими элементами не наблюдалось, поскольку в этих зонах были установлены специальные защитные кожухи. Удельный расход топлива составил 2,5 кг/га.
ТЕХНОЛОГИИ echnologies
Сизм? /о
90 80 70 60 50
3
2 / l ^^
1 / / 1 + 1
21 Vp, км/ч
9 12 15 18 1 - 700 кг/м; 2 - 900 кг/м; 3 - 1000 кг/м
Сизм j %
90 80 70 60
• 3 /
• ^^^
/ 1 1 1 4 1
1 / 7 2 2 / 4 / +
9 12 15 18 21VP, км/ч 1 - 700 кг/м: 2 - 900 кг/м: 3 - 1000 кг/м
Рисунок 5. Зависимость степени измельчения (содержание растительных фракций до 20 см) от скорости движения и удельной массы орудия
Рисунок 6. Зависимость степени измельчения (содержание растительных фракций до 30 см) от скорости движения и удельной массы орудия
При проведении сравнительного анализа по производительности за базу для сравнения были взяты измельчитель сидератов ИС-3 шириной захвата 3 м в агрегате с трактором Беларус-1221 и наиболее близкий зарубежный аналог - каток-измельчитель Ба1-Бо «МахЮШ; 300» шириной захвата 3 м в агрегате с трактором Беларус 82.1 тягового класса 1,4. Установлено, что производительность у разрабатываемого катка-измельчителя находится на уровне производительности лучшего зарубежного аналога (Ба1-Бо «МахЮШ; 300») при снижении совокупных затрат в 1,9 раза, а по сравнению с измельчителем сидератов ИС-3 производительность выше в 1,8 раза при снижении совокупных затрат в 3,2 раза.
4. Заключение
Таким образом, по результатам проведения экспериментальных исследований установлено, что разрабатываемое орудие с обоснованными параметрами способно за один проход качественно сформировать мульчирующий слой на поверхности почвы, способствующий повышению плодородия почвы, снижению потерь влаги из её верхних слоев, повышению будущего урожая. Кроме того, оно не уступает в производительности лучшим зарубежным аналогам при обеспечении качества выполнения технологического процесса и снижении совокупных затрат в 1,9 раза. При этом есть все перспективы на то, что подобные орудия найдут свое применение в агроформированиях, поскольку спектр применения катков -измельчителей весьма обширен: обработка сидеральных паров летом и осенью; весеннее прикатывание и измельчение пожнивных остатков, например, стеблей подсолнечника с одновременным разрушением почвенной корки, что также будет являться и ранневесенним боронованием (закрытием влаги); подготовка к обработке полей, которые не использовались длительное время и имеют густую и высокорослую сорную растительность, которую необходимо прикатать и измельчить перед почвообработкой, чтобы исключить забивание рабочих органов почвообрабатывающих орудий и т.д.
Щ ТЕХНОЛОГИИ lechnologies
ISSN: 2658-4018
5. Конфликт интересов
Авторы подтверждают, что представленные данные не содержат конфликта интересов.
6. Благодарности
Экспериментальные исследования были проведены на полях АО «Заря» Костанайской области при поддержке главы хозяйства Климко А.П.
Список литературы
1. Овсинский, И.Е. Новая система земледелия / И.Е. Овсинский. - Новосибирск: Агро-Сибирь, 2004. - 86 с.
2. Асс, Дж. К. Управление использованием пожнивных остатков с целью уменьшения эрозии и улучшения качества почвы / Дж. К. Асс, Д. Бек, М.Л. Блека, Д. Бикерер. - МСХ США, служба исследований сельского хозяйства. - 1994. - 84 с.
3. Какое удобрение лучше? Сидераты! Справочник. - Киев, 2009. - 80 с.
4. Скорняков, С.М. Плуг: крушение традиций? / С.М. Скорняков. - Москва: Агропромиздат, 1989. - 176 с.
5. Тюрюканов, А.Н. О чем говорят и молчат почвы / А.Н. Тюрюканов. - Москва: Агропромиздат, 1990. - 224 с.
6. Александрова, Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации / Л.Н. Александрова. - Ленинград: Наука, 1980. - 288 с.
7. Лошаков, В.Г. Пожнивная сидерация и плодородие дерново-подзолистых почв // Земледелие. - 2007. - № 1. - С. 11-14.
8. Липкович, Э.И., Органическая система земледелия / Л.П. Бельтюков, А.М. Бондаренко // Техника и оборудование для села. - 2014. - № 8. - С. 2-7.
9. Волков, Ю.И. Справочник конструктора сельскохозяйственных машин / Ю.И. Волков, А.А. Гафанович, Н.Г. Гладков, А.В. Красниченко и др. - Москва, 1960. - Т. 1. - 656 с.
10. Исходные требования на базовые машинные технологические операции в растениеводстве. - Москва, 2005. - 270 с.
11. ГОСТ Р 52778-2007. «Испытания сельскохозяйственной техники. Методы эксплуатационно-технологической оценки». - Москва: Стандартинформ. - 2007. - 24 с.
