Основные направления совершенствования технологий обработки почвы и средств механизации, их осуществления Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Основные направления совершенствования технологий обработки почвы и средств механизации, их осуществления

И.Т. Ковриков, д.т.н., А.А. Митин, к.т.н.,

ОренбургскийГАУ

В настоящее время в сухостепных регионах страны сложилась технология основной обработки почвы, заключающаяся в чередовании плоскорезной обработки почвы плоскорезами-глубо-корыхлителями типа ПГ-3-5 с отвальной обработкой плугами через каждые 2...5 лет (в зависимости от механического состава почвы).

В некоторых хозяйствах применяется так называемая «нулевая» система обработки почвы. Необходимо отметить, что «нулевую» технологию зачастую применяют не из агротехнической необходимости, а из-за отсутствия или недостатка топлива, средств механизации и низкого уровня организации производственных процессов возделывания сельскохозяйственных культур.

Оптимальное же сочетание плоскорезной (безотвальной) и отвальной обработок во многих хозяйствах обуславливает получение довольно высоких и стабильных урожаев.

Кроме достоинств это направление имеет ряд недостатков, снижающих возможность получения более высоких урожаев. Так, серийные плуги с рабочими органами, имеющими лемешноотвальную поверхность, в процессе обработки выворачивают на поверхность нижние малоплодородные слои почвы, а верхние, с большим содержанием гумуса, - заваливают на дно борозды.

Это обуславливает медленное развитие культурных растений, особенно в начальный период вегетации, что резко снижает урожайность, особенно зерновых культур.

В связи с этим предлагается новое направление совершенствования технологии обработки таких почв, заключающееся в том, что верхний слой пахотного горизонта до 16 см необходимо обрабатывать отвально без перемещения его на дно основной борозды, а нижний - рыхлить без оборота.

Подобную основную обработку почвы можно выполнить сочетанием различных почвообрабатывающих орудий.

Однако это обуславливает резкое повышение материалоемкости и большие удельные эксплуатационные расходы.

В этой связи очевидна целесообразность разработки нового направления в создании средств механизации предложенной технологии - разработки комбинированных отвально-безотвальных почвообрабатывающих машин.

Кроме того, в связи с применением тяжелой техники и многократного воздействия ее на почву происходит глубокое переуплотнение почвы. В дополнение к этому, почвы на протяжении многих лет обрабатываются на одну и ту же глубину, в связи с чем формируется уплотненный подпахотный горизонт, который не дает возможности влаге проникать в более глубокие слои и

там аккумулироваться. Все это приводит к резкому снижению урожайности сельскохозяйственных культур. В связи с этим возникает необходимость включения в предложенную технологию нового элемента — разуплотнения подпахотного горизонта. Разуплотнение подпахотного горизонта играет огромную роль в устранении вышеуказанных недостатков.

Комбинированная основная послойная обработка почвы с одновременным разуплотнением подпахотного горизонта - технологический процесс, который заключается в следующем (рис. 1). Пахотный горизонт почвы на глубину до 30 см обрабатывается послойно, причем верхний слой на глубину 10.. .16 см - оборотным рабочим органом - джойнтером 1, а нижний - безотвальным рыхлителем 2. Одновременно с этим разуп-лотнителем 3 производится рыхление подпахотного горизонта на 6.15 см,ниже глубины обработки пахотного.

Рис. 1 - Схема комбинированной основной обработки почвы с одновременным разуплотнением подпахотного горизонта

Для осуществления предлагаемой технологии разработан плуг-рыхлитель-разуплотнитель (рис. 2), который является универсальным почвообрабатывающим орудием, позволяющим дифференцированно вести обработку почв, различных по механическому составу, твердости, влажности и засоренности, в соответствии со сложившимися климатическими условиями, в связи с чем прилагается следующее направление совершенствования технологий:

• отвальная обработка пахотного слоя;

• безотвальное рыхление пахотного горизонта;

• отвальная обработка пахотного с одновременным разуплотнением подпахотного горизонтов;

• безотвальное рыхление пахотного с одновременным разуплотнением подпахотного горизонтов;

• отвальная обработка верхнего слоя пахотного горизонта;

• отвальная обработка верхнего слоя пахотного горизонта с одновременным рыхлением его нижнего слоя;

• оборотная по слоям обработка пахотного горизонта;

Рис. 2 - Схема плуга-рыхлителя-разуплотнителя

• отвальная обработка верхнего слоя пахотного горизонта с одновременным рыхлением его нижнего слоя и разуплотнение подпахотного горизонта;

• оборотная по слоям обработка пахотного горизонта с одновременным разуплотнением подпахотного горизонта.

На плуг-рыхлитель-разуплотнитель устанавливаются дополнительные рабочие органы -джойнтеры, предназначенные для обработки верхнего слоя пахотного горизонта, при этом верхний слой рыхлится и оборачивается, но не сбрасывается на дно основной борозды (рис. 1).

В результате анализа ряда исследований применительно к почвенно-климатическим условиям сухостепных регионов Южного Урала и Заволжья и в соответствии с технологией комбинированной основной послойной обработки почвы параметры пласта обрабатываемого джойн-тером имеют следующие значения. Ширина захвата равна ширине захвата основного корпуса, глубина обработки составляет 10.16 см. В связи с тем, что джойнтер должен обрабатывать верхний задернелый, крайне связный слой пахотного горизонта, который необходимо оборачивать, его отвальная поверхность должна иметь интенсивно оборачивающиеся свойства, то есть должна иметь полувинтовой тип. Направляющаяся кривая поверхности джойнтера должна проектироваться из условий, при которых в любой точке на кривой сумма всех связей (действующих сил) будет минимальной. Выполнение таких условий будет обеспечено, если движение элемента пласта, движущегося по направляющей кривой, бу-

дет представлено в виде дифференциального уравнения Лагранжа первого рода.

В соответствии с теорией дифференциальных уравнений решение этой системы получим в виде параметрических уравнений направляющей кривой поверхности джойнтера:

х = Ь ■ к2 ■

2 к-/^ 511';1'• V- ек")+ Ь ■ сё, ■ ек

(к2 - к1) ■ 8Ш 10

к3 — к4

где к1 - корни характеристических уравнений;

к- =-

кз =-

/■ё V ■ С0Б8

+ , Б.

2

/■ё V ■ С0Б8

+л Б

2

к2 =-

к4 =-

.Лё

V ■ С0Б8

—, Б

2

.Лё

V ■ С0Б8

—л Б

Бх =

■Лё

V ■ С0Б8

— 4 ■! —

б.

т ■ tg8 ■С0Бу

2

Б. =

.Лё

V ■ С0Б8

— 4 ■ +ё |;

т

где / - коэффициент трения;

ё - ускорение свободного падения;

V - скорость элемента пласта по направляющей кривой;

8 - угол наклона рабочей грани клина к горизонтальной плоскости;

- проекция силы сопротивления движению элемента пласта на ось 02; т - масса элемента пласта;

1 - угол между горизонтальной образующей и плоскостью стенки борозды;

Ь - ширина захвата рабочего органа;

10 - угол наклона лезвия лемеха к стенке борозды.

Таким образом, получен основной закон построения лемешно-отвальной поверхности джой-нтера, представленной в виде направляющей кривой и тангенциальной зависимости движения прямолинейной образующей по направляющей, обуславливающей минимальную энергоемкость отвальной обработки верхнего слоя пахотного горизонта.

В схему плуга-рыхлителя-разуплотнителя включен рабочий орган для подпахотной обработки почвы. Конструктивно он представляет собой плоскорезную лапу со стойкой, ширина захвата которой составляет 0,8 от ширины захвата основного рабочего органа. При этом в связи с необходимостью обеспечить ход стойки по следу хода безотвального рыхлителя, для снижения сопротивления разуплотняющего рабочего органа и выполнения агротехнических требований и

с учетом конструктивных параметров безотвального рабочего органа лапа разуплотнителя асимметрична с соотношением ширины захвата левого и правого исполнительных элементов 1:2. При совмещении безотвальной вспашки с рыхлением подпахотного горизонта разуплотнитель взаимодействует с двумя пластами почвы: пахотным (разрыхлением) и подпахотным (уплотненным).

Получена математическая модель процесса подпахотного рыхления, позволяющая определить оптимальные конструктивные и технологические параметры разуплотняющего рабочего органа, обеспечивающие минимальную энергоемкость процесса требуемого качества в зависимости от свойств почвы.

Изменение схемы орудия и установка на плуг-рыхлитель-разуплотнитель дополнительных рабочих органов-джойнтеров и разуплотнителей обуславливают изменение условий устойчивой работы машины. Для оценки предложенных технологий и конструкции плуга-рыхлителя-разуп-лотнителя с целью определения агротехнических показателей его работы и степени влияния на урожайность зерновых культур были проведены сравнительные испытания серийных машин. П-5-35П и ПЛН-5-35 (со стойками СибИМЭ-ОСХИ) с комбинированным орудием по трем вариантам обработки почвы:

- комбинированная послойная технология основной обработки почвы с одновременным разуплотнением подпахотного горизонта (рис. 1);

- послойная отвально-безотвальная обработка пахотного горизонта;

- основная безотвальная обработка с одновременным разуплотнением подпахотного горизонта. Сравнивая агротехнические показатели работы нового и серийных орудий, можно отметить, что устойчивость хода по глубине у плуга-рых-лителя-разуплотнителя значительно выше. Среднее квадратическое отклонение глубины обработки плуга-рыхлителя-разуплотнителя по первому варианту 0,017 м, в то время как у всех серийных машин оно составляет 0,021...0,026 м. Устойчивость хода плуга-рыхлителя-разуплотните-ля в горизонтальной плоскости по сравнению с серийными орудиями не имеет существенных отличий. Крошение у плуга-рыхлителя-разуплот-нителя по третьему варианту в сравнении с ПЛН-535 (со стойками СибИМЭ-ОСХИ) выше за счет перемешивания дополнительными разуплотняющими рабочими органами, производящими подпахотное рыхление. Предложенные технологии и комбинированные машины обусловили повышение урожайности на 17.27%.

Полученные результаты хозяйственных испытаний плуга-рыхлителя-разуплотнителя позволяют говорить о целесообразности применения разработанных технологий основной обработки почвы и орудия для их выполнения.

2

2

2

2

2

2