CC BY
84
Техническое обеспечение гладкой вспашки отвальными рабочими органами
Б.Н. Нуралин, д.т.н., профессор, С.В. Олейников, к.т.н.,
A. Ж. Мурзагалиев, к.т.н., Западно-Казахстанский АТУ; М.М. Константинов, д.т.н., профессор, И.В. Трофимов,
аспирант, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
От способа и качества основной обработки почвы в значительной степени зависят урожайность сельскохозяйственных культур, затраты труда и расход топлива. Для успешного внедрения рациональных технологий и средств механизации обработки почвы необходимы научные разработки, направленные на совершенствование почвообрабатывающих машин и их рабочих органов.
Наиболее сильной стороной механической обработки является универсальность её воздействия не только на почву, но и на растения и всю окружающую среду, которая направлена на рост эффективного плодородия почвы. Основоположник земледельческой механики академик
B. П. Горячкин отмечал, что основная обработка почвы и, в частности, пахота является «... самой важной, самой продолжительной, самой дорогой и самой тяжёлой работой в сельском хозяйстве» [1].
В мировой практике широко известны и апробированы разные технологии основной обработки почвы [2—5]. При этом учёные приходят к выводу,
что в каждом конкретном случае нужна своя научно обоснованная зональная микротехнология, обеспечивающая эффективность данной технологической операции и сельскохозяйственного производства в целом.
В России и в большинстве развитых в аграрном отношении стран доминирующим способом основной обработки почвы является отвальная вспашка, позволяющая осуществлять крошение почвенного пласта с одновременным его оборотом. При этом в пахотный слой возвращаются коллоидные частицы и питательные вещества, вымытые в нижние горизонты. Кроме того, отвальная вспашка является одним из основных способов борьбы с сорной растительностью, вредителями и некоторыми возбудителями болезней сельскохозяйственных культур. При оборачивании осуществляется заделка в почву растительных остатков, органических и минеральных удобрений, увеличивается скважность, влагопроницаемость и влагоёмкость. Происходит увеличение накопления влаги в осенний и весенний периоды.
Вместе с тем имеется ряд недостатков, присущих отвальной вспашке: высокая энергоёмкость и малая производительность, создание условий для выдувания плодородного слоя в районах, подверженных ветровой эрозии.
Всё это побудило учёных и конструкторов к поиску новых технологий основной обработки почвы, повышающих КПД, надёжность, качество работы, производительность, снижающих энергоёмкость и материалоёмкость, повреждаемость почвы, затраты труда, топлива и средств на выполнение работы. Все факторы эффективности взаимосвязаны между собой в большей или меньшей степени. Эти недостатки устранены в почвообрабатывающих орудиях, обеспечивающих гладкую вспашку с ровной поверхностью, без развальных и свальных борозд.
Анализ путей совершенствования конструкции лемешно-отвальных поверхностей показывает, что работу вели в направлении снижения тягового сопротивления при увеличении рабочей скорости, не меняя схемы оборота пласта, без учёта его формы сечения.
С целью совершенствования процесса оборота почвенного пласта был разработан корпус, полевой обрез которого наклонён под некоторым углом в сторону невспаханного поля, отрезающий пласт почвы косоугольного сечения. При этом тяговое сопротивление плуга снизилось на 10–15%, глубина заделки растительных остатков возросла на 3–5 см. Изменение схемы оборота позволило укоротить крыло отвала на 150—200 мм, уменьшить скручивающий момент на стойке и боковую составляющую от силы сопротивления, что позволило уменьшить длину полевой доски.
Для параллелограммного пласта с параметрами а и в (рис. 1) условие свободного оборота двух соседних пластов, по Л.В. Гячеву [6], имеет вид:
а> ^arcsinf^). (1)
2 Ув)
На графической иллюстрации видно, что угол наклона стенки борозды к вертикали а' с увеличением глубины пахоты должен также увеличиваться. Для стабильной работы плуга на всех глубинах необходимо, чтобы угол отклонения стенки борозды от вертикали был не менее 45°.
Рис. 1 - Взаимосвязь параметров параллелограммного пласта, обеспечивающих свободный оборот (по Л.В. Гячеву)
M. Nowotny определил [7], что у плуга с ромбовидными рабочими органами межкорпусное расстояние можно уменьшить до 65—80 см против 1 м при обычных корпусах, не нарушая процесса движения пласта почвы. Тяговое сопротивление плуга при этом снижается на 30%. В зависимости от типа почв соотношение глубины пахоты к ширине захвата корпуса должно находиться в пределах от 1:1 до 1: 1.4, что обусловлено требованиями оборота пласта.
Противоречивые суждения о целесообразности использования ромбовидных рабочих органов высказывают западногерманские исследователи [8, 9].
Сравнительные испытания, проведённые Н. W&s-sler на глинистой почве с влажностью около 25%, показали превосходство ромбовидного плуга перед обычным (рис. 2, 3).
Рис. 2 – Влияние скорости движения на удельное тяговое сопротивление:
— нормальный плуг;-----ромбовидный плуг;
1 – глубина пахоты – a= 31 см, ширина захвата корпуса в = 41 см, почва – песчаный суглинок, необработанная залежь; 2 – a= 30 см, в = 39 см, песчаный суглинок, лущеная стерня; 3 – a = 23,5 см, в = 42 см песчаный суглинок, необработанное жнивьё
Рис. 3 – Результаты анализа работы плуга по крошению
На основании проведённых испытаний предложены следующие параметры ромбовидного рабочего органа: угол отклонения стенки борозды
от вертикали 35—45°, высота вертикального участка стенки борозды 50 мм, тип рабочей поверхности корпуса – цилиндрическая, крыло отвала короче, чем у обычного корпуса, на 10—15 см.
Данная работа заслуживает внимания, однако параметры рабочего органа выбраны априорно, что не позволяет считать полученные результаты абсолютно достоверными и ограничивает зону их действия.
Эффективность ромбовидной пахоты оценили положительно польские исследователи K. Gilewicz, A. Turski и W Mendzelewski [10]. Применение ромбовидных корпусов на плуге позволяет:
• уменьшить межкорпусное расстояние и сократить длину плуга;
• снизить скручивающий момент на стойке корпуса путём изменения длины груди отвала и его крыла;
• повысить производительность плуга, снижая тяговое сопротивление корпусов;
• снизить погектарный расход топлива;
• снизить эксплуатационные затраты на последующие операции по подготовке поля.
Подобные сравнительные испытания были проведены немецкими учёными K. Krommer и M. Estler [11], что привело их к аналогичным выводам.
Общим и основным недостатком всех вышеперечисленных работ зарубежных авторов является отсутствие каких бы то ни было теоретических исследований по обоснованию формы рабочих органов и взаимосвязи его параметров.
Первой теоретической работой по обоснованию параметров сечения почвенного пласта и схемы его оборота является исследование западногерманского учёного H.I. Stubenbock [12]. Для упрощения теоретического описания сложной формы поперечного сечения ромбовидного пласта он заменил параллелограммом АВСД (рис. 4).
Рис. 5 - К определению схемы оборота параллело-граммного пласта (по H.I. Stubenbock)
неустойчивого равновесия. При параметрах пласта, ограниченных кривой 2, пласт в сечении имеет форму ромба.
Взаимосвязь параметров определяется неравенствами:
а < arctg
1
а/
/ в
(2)
' •֊֊ I
а > arccos
(3)
Высота подъёма центра масс (ц.м.) параллело-граммного пласта определяется соотношением его параметров по следующей зависимости:
Ь/
/ в
(4)
где Ց — угол между горизонталью и большой диагональю параллелограмма.
Рис. 4 - Форма сечения ромбовидного пласта и схема его оборота
На рисунке 5 приведены графическая зависимость и аналитические выражения, позволяющие обосновать выбор схемы оборота при определённых параметрах пласта. Зоны а и б — зоны устойчивого положения пласта. Кривые 2 и 1 являются граничными. При параметрах пласта, ограниченных кривой 1, диагональ пласта занимает вертикальное положение и пласт будет находиться в положении
8 = arctg
(5)
Графическая иллюстрация данных выражений (рис. 6) показывает, что с увеличением угла отклонения стенки борозды от вертикали и глубины пахоты увеличивается высота подъёма ц.м. Это приводит к возрастанию затрат энергии и необходимости изготавливать отвал большей высоты.
Однако экспериментальные исследования показали обратную картину — тяговое сопротивление ромбовидного корпуса, особенно при глубокой пахоте, ниже, чем у обычного. Причём с уменьшением скорости движения эта разность возрастает (рис. 7).
На основании проведённых теоретических и экспериментальных исследований можно прийти к выводу, что, изменяя форму сечения почвенного пласта, приближая её к ромбу, можно улучшить процесс оборота.
Рис. 6 - Зависимость отношения удельного тягового сопротивления ромбовидного Р и нормального Н плуга от глубины пахоты а и скорости плуга и (по H.I. Stubenbock):
1 - при скорости = 8 км/ч; 2 - при скорости = 6 км/ч; 3 - при скорости = 4 км/ч
Рис. 7 - Влияние угла отклонения стенки борозды от вертикали и соотношения параметров пласта на высоту подъёма центра масс (по H.I. Stubenbock)
На основании анализа основных направлений совершенствования плужных рабочих органов, методов проектирования их лемешно-отвальных поверхностей и работ по теории взаимодействия рабочих органов с почвой можно сделать следующие выводы:
1. Дальнейшее повышение производительности плугов возможно на основе совершенствования их конструкции и рабочих органов, обеспечивающих выполнение технологического процесса вспашки с наименьшими энергозатратами.
2. На качественные и энергетические показатели работы пахотного агрегата значительное влияние оказывают параметры отрезаемого пласта и форма лемешно-отвальной поверхности.
3. Наиболее рациональным является технологический процесс гладкой вспашки с оборотом пласта ромбовидными рабочими органами.
4. Существующие методы проектирования лемешно-отвальных поверхностей не позволяют определить параметры рабочей поверхности ромбовидного корпуса в соответствии с изменившимися условиями работы.
Исходя из этого в дальнейшем необходима разработка методов проектирования лемешноотвальных поверхностей ромбовидного корпуса, обеспечивающего движение почвенного пласта по траектории, обеспечивающей минимальные энергозатраты.
Литература
1. Горячкин В.П. Собрание сочинений. М.: Колос, 1965. Т. 1–3.
2. Константинов М.М., Нуралин Б.Н., Олейников С.В. и др. Универсальная рама рыхлителя плужного типа для гладкой пахоты // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. № 5 (43). С. 76-81.
3. Константинов М.М., Дроздов С.Н. Совершенствование комбинированных широкозахватных почвообрабатывающих машин для снижения их тягового сопротивления // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2013. № 6. С. 34-37.
4. Константинов М.М., Нуралин Б.Н., Олейников С.В. Рабочий орган рыхлителя плужного типа для гладкой вспашки // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2010. № 11. С. 5–6.
5. Константинов М.М., Нуралин Б.Н., Есенжанов С.З. Технологические приёмы обработки почвы на основе синтеза её оптимальной структуры // Техника в сельском хозяйстве. 2010. № 3. С. 16-19.
6. Гячев Л.В. Обоснование угла отклонения стенки борозды от вертикали для многокорпусных плугов // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1984. № 5. С. 23-24.
7. Novotny M. Hat der Rautenpflug Zukunft // Agrartechnick international. 56. 1977. № 8. S. 8-9.
8. Blackstein R. Der Rautenpflugs / R. Blackstein // Agrartechnick international. 57. 1978. № 1. S. 8-9.
9. Ruhm E. Der Rauten-pflug pro und kontra / E. Ruhm, G. Wasseler, H. Wassler, G. Schatz // Agrar ubersicht. 29. 1978. № 11. S. 708-711.
10. Gilewicz K. Analisa efektiwnosci orki rombowej / K. Gilewicz, A. Turski, W. Mendzelewski // Maszyny i Ciggniki Rolnicze. 1981. № 11-12. S. 5-7.
11. Krommer K.-H. Moderne pflugbauformen / K.-H. Krommer, M. Estler // Landtechnick. 1981. № 3. S. 112-116, 118.
12. StUbenbock H.I. Untersuchungen uber das Pflugen mit Rautenkorpern / H.I. Stubenbock // Grundlage Landtechnick. 1981. № 1. S. 1-9.
