CC BY
131
5. На почвах с низким плодородием наблюдается непроизводительное использование влаги на создание 1 ц сухой массы зерна, поскольку товарный коэффициент водопотребления увеличивается по отношению к богатым фонам минерального питании в среднем за три года исследований в 1,4__1,9 раза.
Список литературы
1. Мальцев, В.Ф. Система биологизации земледелия Нечерноземной зоны России / В.Ф. Мальцев, М.К. Каю-мов. — М.: Росинформагротех, 2002. — С. 321-347.
2. Поздняков, Е.П. Формирование урожая различных сортов озимой тритикале в зависимости от нормы высева и фонов минерального питания / Е.П. Поздняков, В.Е. Дол-годворов // Сб. тр. ТСХА. — М., 2005. — Вып. 277. — С. 199-202.
3. Пруцков, Ф.М. Озимая пшеница / Ф.М. Пруцков. — М.: Колос, 1976. — С. 17-36.
4. Ремесло, Н.В. Агротехника и качество зерна озимой пшеницы в степной зоне Украины / Н.В. Ремесло // Вестник с.-х. науки. — М., 1976. — № 4. — С. 3-7.
5. Каюмов, М.К. Агрохимические основы программирования урожаев сельскохозяйственных культур / М.К. Каюмов, Н.П. Чернавский. — М.: ВСХИЗО, 1988. — С. 12-16.
УДК 631.31.001.2
Ю.И. Матяшин, доктор техн. наук, профессор
ФГОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет»
Н.Ю. Матяшин, канд. техн. наук
ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
разработка и создание энерговлагосберегающего комплекса ротационных почвообрабатывающих машин
Ротационным машинам принадлежит будущее (Академик В.П. Горячкин).
Такое предвидение академика подтвердилось временем. Применение сельскохозяйственных (с.-х.) ротационных машин стало повсеместным. Они оказались незаменимыми и эффективными при выполнении многих технологических операций (обработка почвы, измельчение кормов, удобрений и т. п.). Только в ротационных почвообрабатывающих машинах можно регулировать, например, такие агротехнические показатели, как степень крошения почвы и уничтожения сорняков, плотность и вспушенность почвы, степень измельчения с.-х. материалов (трав, кормов, удобрений и т. п.).
Статья посвящена 40-летию научных исследований по разработке и созданию энерговлагосберегающего комплекса ротационных почвообрабатывающих машин нового поколения.
Исследования проводились в период с 1965 по 2005 г. по пяти направлениям по планам НИР и ОКР: ВНИИ кормов, Казанского ГАУ, ВИМ, НИ-ИСХ ЦРНЗ, НИКПТИЖ, а также согласно заданию 16.01 и координационной программе по проблеме «Разработка системы технологизации и инженерно-технического обеспечения АПК субъектов РФ на 2001-2005 гг. по следующим направлениям:
1) разработка и создание почвофрез пониженной энергоемкости для обработки задернелых, переувлажненных почв;
12
2) исследование и разработка ротационных орудий бесприводного действия с коническими барабанами для поверхностной обработки почвы;
3) разработка спиральнозубовых (винтозубовых) рабочих органов для окончательной (финишной) подготовки почвы под посев с.-х. культур;
4) создание и разработка рабочих органов для основной безотвальной обработки склоновых, эрозионно-опасных и смытых почв;
5) создание на базе новых рабочих органов комбинированных агрегатов, выполняющих за один проход несколько технологических операций.
Широко известны преимущества фрезерных машин по агротехническим показателям выполнения некоторых операций. Они незаменимы при коренном улучшении кормовых угодий, обработке тяжелых заплывающих почв и после уборки грубостебельных культур. За один проход почвофреза создает оптимальную плотность почвы благодаря высокой степени крошения, повышает ее биологическую и биохимическую активность, приводящие в конечном счете к повышению урожайности различных культур.
В результате проведенных исследований по первому направлению созданы почвофрезы пониженной энергоемкости: ФНШ-1,5, ФНШ-2, ФНШ-3,8, ФНШ-10,8, ФН-3 (а.с. 210514, 279219, 858591, 1047405, патент 2216137). Энергоемкость при работе указанных фрез снизилась на 40_50 %, уменьшилась материалоемкость в 2 раза, увеличилась производительность на 30.. .40 %.
По результатам НИР защищены две кандидатские [1, 2] и одна докторская [3] диссертации, изданы три книги [4, 5, 6], получено пять авторских свидетельств на изобретение. Указанные книги переведены на немецкий [13] и английский языки [14].
Опытные образцы почвофрез ФНШ-2 и фрезерная картофелесажалка С-59 внедрены в КП «Кзыл-Юлдуз», совхоз «Волжский» Лаишевского района РТ на фрезерной технологии возделывания картофеля.
Фреза ФН-3 используется в КП им. М. Джалиля и КП «Урняк» Сармановского района Республики Татарстан при обработке переувлажненных за-дернелых почв.
Исследования по второму направлению начаты в 1972 г. Поверхностная обработка почвы при возделывании с.-х. культур проводится главным образом ступенчато, т. е. однооперационными машинами за несколько проходов МТА, что во многих случаях агрономически ничем не оправдано, так как ведет к растягиванию агросроков, переуплотнению почвы и повышению энергетических и трудовых затрат.
Наиболее перспективными для современных интенсивных систем земледелия оказались ротационные машины бесприводного действия с коническими зубовыми барабанами, позволяющие за один проход по полю выполнить несколько технологических операций: рыхление (на глубину 8_10 см), выравнивание и уплотнение. Созданы орудия для поверхностной обработки почвы: борона коническая БРК-6, конический рыхлитель-выравниватель почвы 2КРВК-3, дисково-коническая борона ПБЛ-10, конический выравниватель уплотнитель почвы КВУП-4, (а.с. 485712, 1109079, 1111701, 1144635, 1189360, 1319787, 190111, 2128896). Применение указанных машин на поверхностной обработке почвы и при улучшении кормовых угодий подтвердило их высокую эффективность [7]. По результатам исследований по второму направлению защищены две кандидатские [8, 9] и одна докторская диссертации, изданы две книги, получено восемь авторских свидетельств на изобретения, опубликован ряд статей.
Коническая борона БРК-6, дисково-коническая борона ПБЛ-10 прошли широкую производственную проверку в различных хозяйствах Республики Татарстан и других регионах РФ.
Третье направление по совершенствованию ротационных рабочих органов для окончательной подготовки почвы под посев зерновых и мелкосеменных культур путем разработки и создания сменных адаптеров к культиваторам начато в 1985 г.
Разработка сменных адаптеров к почвообрабатывающим машинам продиктована тем, что необходимо провести окончательную подготовку верхнего посевного слоя толщиной: для посева семян
трав — 1_2 см, для зерновых и зернобобовых — 3_4 см, для пропашных культур — 5_7 см и технических — 8_10 см.
Агротехнической наукой установлено, что указанные посевные слои должны удовлетворять следующим агротехническим требованиям: степень крошения почвы 75_85 % (содержание комков
диам. 10 мм и ниже), плотность почвы 1 1,2 г/см3,
выравненность поверхности поля 85_95 %. Такое качество посевного слоя не может быть получено при работе обычных почвообрабатывающих машин и орудий даже при многократных их проходах по полю.
А поскольку именно в этом слое формируется будущий урожай, и в частности от этого зависят полевая всхожесть, равномерность заделки семян в почву, сохранение влажности почвы, дружность всходов и т. п., то необходимо провести дополнительную обработку почвы сменными адаптерами, чтобы довести этот посевной слой до указанных выше требований.
На основе проведенных исследований разработаны спиральнозубовые рыхлители-выравниватели почвы с автовибратором СРВУП-2 и 12 типов сменных адаптеров к лаповым культиваторам «КПС», «КШУ» и плоскорезам для окончательной подготовки посевного слоя с учетом вида возделываемой с.-х. культуры (а.с. 1438637, 1572430, 1475499, патент № 2138144).
Спиральные гладкие барабаны нашли широкое применение в комбинированных почвообрабатывающих агрегатах «Лидер-4», «Лидер-8», в почвообрабатывающих посевных машинах «Обь-4», «Обь-4-3Т», посевных комплексах «Кузбасс», бороне КЗБ-21 для выравнивания, уплотнения верхнего посевного слоя и борьбы с сорняками.
Однако при работе спиральных гладких барабанов имеет место их скольжение, т. е. у0 Ф v когда окружная скорость v0 не равна поступательной vn и показатель кинематического режима X = v0 / vn Ф 1 изменяется в пределах от 1 до 0,7. Величина скольжения барабана непосредственно зависит от изменения угла атаки у и, как правило, с его увеличением скольжение возрастает, причем в диапазоне от 0 до 20° прирост скольжения незначителен (до 11 %), а затем резко возрастает. Например, при у = 25° скольжение 5 = 17 %, а при у = 30° оно составляет 24 %. В связи с этим увеличение угла атаки более 20° нецелесообразно, так как почва чрезмерно перемещается и сгруживается перед барабаном, что ведет к нарушению технологического процесса. Для повышения эффективности работы спиральных катков указанных машин целесообразно на витках спирали установить зубья, высота которых должна быть меньше глубины заделки семян, т. е. заменить гладкие спиральные барабаны на спиральнозубовые с автовибратором или гидро-
13
вибратором типа СРВУП-2. Это позволит избежать залипания их сырой почвой и забивания сорняками даже при больших углах атаки.
По результатам НИР по этому направлению защищены две кандидатские [10, 11] и одна докторская [12] диссертации, изданы две книги [5, 6], опубликовано 20 статей.
Четвертое направление связано с поиском и разработкой принципиально нового способа и технических средств для основной безотвальной обработки склоновых, эрозионно-опасных и смытых почв.
За последние годы безотвальная обработка почвы начинает заменять отвальную, так как последняя имеет ряд существенных недостатков: во-первых, при вспашке происходит полный оборот пласта — неплодородный нижний слой вместе с семенами сорняков выносится на поверхность поля, а верхний, плодородный, укладывается на дно борозды и не может активно участвовать в развитии и росте растений в формировании урожая; во-вторых, при работе лемешных плугов образуется плужная подошва, тормозящая перемещение влаги из нижних слоев в верхние; в-третьих, на склоновых эрозионно-опасных и смытых почвах плужная обработка приводит к усилению водной эрозии; в-четвертых, все известные машины и орудия при их работе имеют большое тяговое сопротивление и буксование движителей трактора.
Указанных недостатков лишена безотвальная обработка почвы. Однако известные орудия для безотвальной обработки почвы, такие как плоскорезы, чизели, плуги Мальцева, используют силу тяги трактора и являются энергоемкими.
Основная задача исследований заключалась в снижении энергозатрат при глубокой (до 30 см) безотвальной обработке склоновых и смытых почв за счет замены деформации сжатия (смятия) почвы при работе известных машин на скалывание (отрыв) как менее энергоемкой.
Для реализации поставленной задачи предложен новый способ и устройство, в котором исполнительные рабочие органы приводятся в движение с помощью кривошипно-коромыслового механизма от вала отбора мощности (ВОМ) трактора.
Такое устройство изменило направление резания почвы с горизонтального в обычных орудиях на вертикальное (наклонное) при новом способе, что позволяет снизить энергоемкость.
Проведен кинематический и силовой анализы четырехзвенного механизма [15, 16, 17], разработан алгоритм расчета его параметров, обоснована форма лопатообразных сменных рабочих органов, проведены лабораторные исследования, изготовлен макетный образец.
Пятое направление исследований посвящено разработке комбинированных агрегатов на базе но-
14
вых рабочих органов (фрезерных, конических, спиральнозубовых), а не за счет последовательного соединения известных однооперационных машин.
Основной принцип при создании комбинированных агрегатов — совмещение технологических операций обработки почвы, а также внесение минеральных удобрений, потому что при этом снижаются затраты энергии за счет уменьшения числа проходов машинно-тракторного агрегата (МТА) по полю. Известно, что затраты энергии на самопередвижение агрегата равны 15_20 %, на буксование — 3_15 % и учитывающие потери в трансмиссии — 10_15 % от эффективной мощности двигателя. Таким образом, общие невозвратимые потери мощности составляют 28_50 %.
На базе разработанных рабочих органов нового поколения созданы:
• комбинированные агрегаты и машины для основной и поверхностной обработки почвы, включающие трактор К-701, плуг ПТК-9-35, конический рыхлитель-выравниватель почвы 2КРВК-3 (а.с. 1197572);
• агрегаты для предпосевной подготовки почвы и внесения охлажденного аммиака РВК-3,6 М, РВК-5,4М;
• луговой агрегат АЛК-3 для поверхностного улучшения лугов и пастбищ, позволяющий за один проход выполнить рыхление, внесение твердых минеральных удобрений и подсев семян трав;
• комбинированные агрегаты РВУ-6, АКП-6, РВУ-2,2 со спиаральнозубовыми рабочими органами для финишной (окончательной) подготовки посевного слоя почвы под зерновые и мелкосемянные культуры;
• машины для внутрипочвенного внесения жидких удобрений и аэрации лугов и пастбищ (а.с. 1276270, 1464940, 1366090, 1147265).
В выполнении НИР по всем пяти научным направлениям принимали активное участие И.М. Грин-чук, А.Н. Сердечный, В.К. Журкин, Г.Ф. Голов, Н.С. Кабаков, Н.К. Мазитов, Ю.В. Шутов, Г.М. Егоров, В.Н. Дроздов, Л.Г. Наумов, Ю.В. Якимов, А.В. Матяшин, Н.А. Закиров.
В заключение назовем основные результаты научно-исследовательских работ по совершенствованию ротационных почвообрабатывающих машин, выполненных за 40 лет:
• обобщена и углублена общая теория ротационных машин для обработки почвы приводного (почвофрезы, ротационные плуги, фрезерные культиваторы) и бесприводного (ротационные бороны, мотыги) действия, которая подробно изложена в книгах [4, 5, 6, 13, 14];
• на основе общей теории рассмотрены 15 частных случаев работы различных ротационных почвообрабатывающих машин и орудий;
• получены общие зависимости [12] по определению основных параметров и характеристик ротационных почвообрабатывающих машин и на их основе разработан метод и алгоритм их расчета с использованием ПК (ЭВМ);
• создан энерговлагосберегающий комплекс ротационных машин нового поколения включающий для обработки тяжелых, задернелых, переувлажненных почв почвофрезы пониженной энергоемкости ФНШ-1,5 (2; 3,8; 10,8) и ФН-2;
• созданы более производительные машины, совмещающие операции рыхления (культивацию), выравнивание и уплотнение с коническими барабанами (БРК-6, АЛК-3, ПБЛ-10, 2КРВК-3, КВУП-4);
• созданы комбинированные агрегаты со спиральнозубовыми (винтозубовыми) рабочими органами для окончательной подготовки посевного слоя (РВУ-6, АКП-6, СРВУП-2);
• созданы агрегаты, совмещающие операции предпосевной подготовки почвы с внесением жидких минеральных удобрений (РВК-3,6М, РВК-5,4М);
Внедрение в производство разработанного комплекса позволяет на 40_55 % снизить энергозатраты на обработку почвы, сократить агросроки проведения работ и число проходов МТА по полю, увеличить производительность в 1,3 1,5 раза, накопление
влаги — в 2_3 раза, замедлить водную эрозию почвы и снизить расход топлива на 25_40 %.
Машины и агрегаты, входящие в комплекс, выполнены на высоком техническом уровне и защищены 30 авторскими свидетельствами на изобретения и патентами РФ.
Разработанный энерговлагосберегающий комплекс ротационных почвообрабатывающих машин позволяет добиться соблюдения основных агротребований при обработке почв любого типа, влажности и засоренности, а также склоновых, эрозионноопасных и смытых.
Исследования по всем направлениям продолжаются по пути дальнейшего снижения энергоемкости работы ротационных почвообрабатывающих машин.
Список литературы
1. Матяшин, Ю.И. Исследование и обоснование основных параметров почвообрабатывающей фрезы: дис. _ канд. техн. наук / Ю.И. Матяшин. — М., 1969.
2. Закиров, Н.А. Обоснование параметров и режимов работы почвообрабатывающей фрезы с разновеликими ножами лепесткового типа: дис. _ канд. техн. наук / Н.А. Закиров. — Казань, 2002.
3. Матяшин, Ю.И. Разработка технологических и технических характеристик и создание комплекса ротационных
машин для поверхностной обработки почвы: дис. ... доктор. техн. наук I Ю.И. Матяшин. — М., 1994.
4. Матяшин, Ю.И. Расчет и проектирование ротационных почвообрабатывающих машин I Ю.И. Матяшин, И.М. Гринчук, Г.М. Егоров. — М.: ВО «Агропромиздат», 1988.
5. Матяшин, Ю.И. Теория и расчет ротационных почвообрабатывающих машин I Ю.И. Матяшин, И.М. Гринчук, Л.Г. Наумов, Н.Ю. Матяшин. — Казань: Татарское книжное изд-во,1999.
6. Матяшин, Ю.И. Ротационные почвообрабатывающие машины I Ю.И. Матяшин, Н.Ю. Матяшин. — Казань: Изд-во Казанского гос. аграрн. ун-та, 2008.
7. Мазитов, Н.К. Резерв лугов и пастбищ I Н.К. Мази-тов [и др.]. — Нива Татарстана, 2000. — № З.
8. Мазитов, Н.К. Изыскание и исследование ротационной машины для предпосевной обработки почвы: дис. . канд. техн. наук I Н.К. Мазитов. — Казань, 1976.
9. Якимов, Ю.В. Обоснование параметров и режимов работы конического выравнивателя-уплотнителя для предпосевной обработки почвы: дис. . канд. техн. наук I Ю.В. Якимов. — Казань, 2000.
10. Матяшин, Н.Ю. Обоснование параметров и режимов работы винтозубового рабочего органа для поверхностной предпосевной обработки почвы: дис. . канд. техн. наук I Н.Ю. Матяшин. — М., 1992.
11. Наумов, Л.Г. Исследование и обоснование параметров и режимов работы спиральнозубового рыхлителя-выравнивателя с автовибратором для поверхностной предпосевной обработки почвы: дис. ... канд. техн. наук I Л.Г. Наумов. — Казань, 1999.
12. Наумов, Л.Г. Разработка, исследование и создание семейства сменных адаптеров с ротационными рабочими органами бесприводного действия для обработки почвы: автореферат дис. ... д-ра техн. наук I Л.Г. Наумов. — М., 2001.
13. Matyashin, Yu.I. Size Estimation of Rotary Machines for Nonplow Tillage I Yu.I. Matyashin, L.G. Naumov, N.Yu. Matyashin. — Kazan-Frankfurt, 2001.
14. Matyashin, Yu.I. Theory and estimation of rotary soil cultivating machines I Yu.I. Matyashin, I.M. Grinchuk, L.G. Naumov, N.Yu. Matyashin, A.V. Matyashin. — Kazan, 2007.
15. Матяшин, Ю.И. Метод и алгоритм расчета параметров машины для безотвальной обработки склоновых, эрозионно-опасных и смытых почв I Ю.И. Матяшин, А.В. Матяшин, Г.Ю. Кулиев, Н.Ю. Матяшин, Д.Н. Сорокин. — Казань: Вестник Казанского гос. аграрн. ун-та, 2007. — № 2 (6).
16. Матяшин, Ю.И. Применение кривошипно-коро-мыслового механизма в машинах для безотвальной обработки почвы I Ю.И. Матяшин, А.В. Матяшин II Материалы междунар. конф. по теории механизмов машин. — Казань: РИЦ «Школа», 2004.
17. Матяшин, Ю.И. Расчет сил, приложенных к звеньям кривошипно-коромыслового механизма в машинах для безотвальной обработки почвы I Ю.И. Матяшин, А.В. Ма-тяшин II Актуальные вопросы механизации и технического сервиса в с.х. Т. 72. — Казань, 2005.
18. Матяшин, Ю.И. Кинематика ротационных почвообрабатывающих машин I Ю.И. Матяшин, Н.Ю. Матя-шин II Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2008 — № 6.
