Механико-технологические основы снижения энергоемкости обработки почвы

Способ обработки почвы или принцип воздействия на нее при обработке должны выбираться с учетом физико-механических свойств почвы. Подставив уравнение (20) в уравнение (19), после преобразования получим характеристику почвы

А_уд = , (21)

где _пл - К.П.Д. орудия; k - коэффициент деформации пласта, Н/м²; - скоростной коэффициент, (Н•с²)/м⁴.

Коэффициент деформации пласта характеризует главную часть сопротивления, оказываемого проходу орудия. На деформацию у плугов и плоскорезов, воздействующих на пласт путем сжатия, приходится до 50% тягового усилия. При сжатии почвы рабочими органами, сдвиге и последующем скольжении по рабочим поверхностям частицы принимают ориентированное, преимущественно параллельное расположение. Это ведет к плотной упаковке частиц и увеличению сопротивления почвы продвижению рабочего органа.

По Голугорскому, величины напряжений, возникающих в почвенном слое, составляют, кг/см²: при сжатии - 0,3…0,5; при растяжении - 0,05…0,10; при кручении - 0,05…0,10; при чистом сдвиге - 0,5…1,0. Следовательно, как показывает уравнение (13), для снижения энергетических затрат при обработке почвы необходимо воздействовать на нее путем растяжения, кручения и т.д.

Выбор принципа воздействия на почву для снижения энергоемкости ее обработки проведён на основе определения величины тягового сопротивления рабочего органа. Для этого использована разработанная нами реологическая модель почвы на уровне микроагрегатов, так как обработка почвы производится в состоянии ее физической спелости и меняет почвенную структуру именно на этом уровне (рис. 9).

При воздействии рабочего органа сжатием (рис. 9а) на почвенный объем в нем возникает движение слоев, происходят вязкостные и упругие деформации. Принимаем, что их скорости имеют равные значения. Интенсивность работы, производимая приложенной силой F, определяется по выражению

Fv = F₁v_N2 + F₂v_H2 , (22)

где F₁, F₂, - силы, действующие на элемент вязкости N₂ и элемент упругости Н₂, Н; v_N2, v_H2 - скорости перемещений в этих элементах вязкости и упругости, м/с.

Так как скорости перемещений в почвенном слое равны, то F = F₁ + F₂; сила сопротивления объема почвы воздействию рабочего органа R = F.

а б

Рис. 9. Силовое возбуждение почвенного объема: а - сжатием, б - растяжением V - почвенный объем; 1 - элемент вязкости (тело Ньютона) почвы; 2 - элемент упругости (тело Гука) почвы

Cила F₁, приложенная к элементу вязкости, вызывает в нем силу сопротивления вязкостному движению почвенных слоев. Поэтому

F₁ = , (23)

где з - динамический коэффициент вязкости поверхности почвенных слоев или коэффициент внутреннего трения, Па·с; S - площадь соприкосновения поверхностей скольжения, м²; v - скорость скольжения слоев, м/с; а - расстояние между граничными плоскостями скольжения, м.

Преобразованием этого уравнения получим

F₁ = гSv = сgabv , (24)

где г - удельный вес почвы, Н/м³; с - плотность почвы, кг/м³; g - ускорение, м/с²; b - ширина почвенного слоя, м; v - скорость движения рабочего органа, м/с.

Сила F₂, приложенная к элементу упругости, вызывает в нем силы сопротивления почвенного элемента упругим перемещениям. Отсюда

F₂ = ЕSе = Еab , (25)

где Е - модуль упругости, Па; е - относительная деформация.

Таким образом, сила сопротивления почвенного объема воздействию рабочего органа сжатием

R_сж = F = сgabv + Еab . (26)

При воздействии на почвенный объем растяжением (рис. 9б) получим

R_раст = F = сgabv + (1/Е)ab = аbсgv , (27)

где б = 1/Е - коэффициент растяжения.

Сравнением этих сил сопротивлений получим, что R_раст < R_сж.

А. Кулен и Х. Куиперс показали, что сопротивление почвы растяжению в 8 раз меньше сопротивления сжатию.

Из вышеизложенного следует, что снижение энергетических затрат на обработку почвы достигается деформацией ее растяжением.

Глава 3. Обоснование уровня технологического воздействия на почву при возделывании зерновых культур в степной зоне

В исследовании мы исходили из следующих общепринятых стандартами понятий минимальной и нулевой технологии обработки почвы. Минимальная обработка выполняется комплексом машин и орудий для поверхностной обработки почвы. При этом трудовые и энергетические затраты минимальны. Под нулевой обработкой почвы понимается прямой посев в необработанную почву специальными сеялками.

Рассмотрены почвенно-климатические условия степной зоны. Почвы тяжелого механического состава в основном на карбонатной основе, пылеватой структуры, малогумусированы. Основным лимитирующим фактором является влага, культуры обеспечены ею на 60%. В этих условиях были проведены полевые исследования влияния различных видов обработки на показатели почвенной структуры, на плотность (рис. 10).

Как показывают графики, на участке без обработки (нулевая обработка) в течение четырех лет не произошло уплотнения почвы, напротив, здесь, как и на других участках, произошло разуплотнение. Участок с нулевой обработкой почвы не зарос сорняками, на третьем году опытов засоренность составила (шт/м²): нулевая обработка - 30; отвальная обработка - 45; плоскорезной лапой - 26; стойкой СибИМЭ - 35; чизельной лапой - 40.

Рис. 10. Объемная масса почвы при различных видах обработки

1996 год был сильно засушливый, неурожайный. В этих условиях урожайность пшеницы составила (ц/га): нулевая обработка - 8,3; отвальная обработка - 4,2; плоскорезной лапой - 4,5; стойкой СибИМЭ - 5,0; чизельной лапой - 5,5.

По запасу продуктивной влаги необрабатываемая почва уступила только почве с отвальной обработкой (рис. 11). В ней, в самом засушливом 1996 году, оказались высокие запасы продуктивной влаги, что и обеспечило большую урожайность, чем на остальных участках.

Таким образом, показатели почвы с нулевой обработкой не уступают показателям обрабатываемой почвы, а в некоторых случаях даже превосходят. Следовательно, технология нулевой обработки почвы имеет право на существование и может быть успешно применена в условиях степной зоны.

На основе системного подхода обосновывается возможность и необходимость применения технологии прямого посева (нулевой обработки почвы) в условиях степной зоны на примере Челябинской области.

Главные особенности степной зоны: тяжелый механический состав почв; засушливый период весенне-полевых работ; большой дефицит продуктивной влаги; большие посевные площади; большая длина гонов; нехватка механизаторских кадров; увеличивающийся удельный вес комбинированных агрегатов.

Рис. 11. Запасы продуктивной влаги при различных видах обработки

Современная концепция земледелия предполагает, что технология возделывания сельскохозяйственных культур должна быть высокопродуктивной, почвозащитной, влаго-, ресурсо-, трудосберегающей и экологически безопасной.

Выполнение этих требований зависит от множества факторов (рис. 12).

Рис. 12. Факторы, влияющие на технологию обработки почвы под посев зерновых культур

На выбор технологии определяющим образом влияют и энергетические затраты. Зависимость энергетических затрат (Э) от входных параметров в операторной форме (оператор А) имеет следующий вид:

Э = А (виды технологии, рабочий орган)

Технология прямого посева является почво- и влагосберегающей технологией. Она же будет и энергосберегающей технологией с минимальным уровнем технологического воздействия на почву.

Для всех технологий возделывания культур одним из общих знаменателей является продолжительность их выполнения. Поэтому энергетические затраты на выполнение технологии в общем случае определяются по выражению

Э = qТ_т , (28)

где q - удельные энергетические затраты в единицу времени, Дж/час; Т_т - продолжительность выполнения технологии, час.

Продолжительность проведения весенне-полевых работ при традиционной технологии

Т_т = , (29)

где - продолжительность выполнения технологических почвообрабатывающих и посевных операций, час; _{m. пер} - продолжительность технологических перерывов между операциями, час.

Продолжительность весенне-полевых работ при технологии прямого посева

Т_т = t_{пр. пос} , (30)

где t_{пр. пос} - продолжительность выполнения прямого посева, час.

Энергетические затраты при традиционной технологии и технологии прямого посева

Э_{тр. т} = ; (31)

Э_{н. т} = q_{пр. пос} t_{пр. пос} , (32)

где q_i - удельные энергозатраты в единицу времени на почвообрабатывающие и посевные операции, Дж/час; q_х.х - удельные энергозатраты на холостые пробеги при технологических перерывах, Дж/час; q_{пр. пос} - удельные энергозатраты в единицу времени на проведение прямого посева, Дж/час.

Приведенные уравнения показывают, что и продолжительность весенне-полевых работ, и энергетические затраты при технологии прямого посева значительно меньше, чем при традиционной технологии.

В главе рассматривается регламент работы по технологии прямого посева. Установлены виды севооборота.

Длительность применения технологии прямого посева определялась по двум критериям:

1) по диагностическому показателю, характеризующему степень снижения естественного плодородия:

В = , (33)

где Н_г - исходное содержание гумуса, %; Н_аi - содержание гумуса после соответствующей культуры, %; Н_д - наинизшее (предельное) содержание гумуса для возделывания культуры;

Непрерывная длительность применения технологии прямого посева по этим расчетам оказалась равной 3…4 годам.

2) по функциональной зависимости Солтера и Грина между временем и плодородием почвы (рис. 13):

N = N₀ (1 - x)^t, (34)

где N - содержание азота в почве в момент времени t, мг/кг; N₀ - исходное содержание азота, мг/кг; x - годовая потеря азота, мг/кг.

Из графиков следует, что почва с каждым годом теряет азот с различной интенсивностью в зависимости от вида севооборотов. Критическое же содержание наступает через 3…5 лет.

Установлено, что при технологии прямого посева по истечении ряда лет происходит резкая дифференциация почвенных слоев по содержанию питательных веществ: наиболее богат ими верхний 5…7 см слой, который уменьшается каждый год.



Рис. 13. Динамика содержания в почве азота по годам: 1 - низкое содержание азота; 2 - очень низкое содержание азота

Ввиду приведенного выше, необходимо обогащение нижних слоев питательными элементами путем оборота пластов, перемешивания почвенных слоев, заделки накопившихся растительных остатков, внесения удобрений и т.д. Это обеспечивается периодической (один раз в 3 - 4 года) основной обработкой почвы.

Глава 4. Разработка энергосберегающих способов и технических средств для основной и предпосевной обработки почвы

Прототипом предложенного способа обработки почвы послужили дождевые черви. Известно, что они являются прекрасными почвообразователями. При этом энергетические затраты прохода самых крупных червей в почвенном слое находятся в пределах 0,05·10^-5 Дж/га. На основе копролитов, навозных камешков червей, установлены требования к процессу обработки почвы. Как установил ещё Ч. Дарвин, если бы почвенный слой состоял из копролитов, то он был бы идеальным. На основе функционирования кишечника червя получены способы воздействия на почву растяжением и вибрацией.

Для установления механизма и эффективности вибрации при обработке почвы была исследована восприимчивость почвенной среды к вибрационным колебаниям. При вибрациях в почвенном слое возникают виброползучесть и виброрелаксация. Вибрации вызывают волны сжатия - расширения, волны сдвига и поверхностные волны Релея. Совокупность волновых напряжений реализуется в ударных волнах.

Ударная волна, скорость распространения которой больше скорости звука в невозмущенной среде, вызывает перемещение частиц среды и скачкообразное изменение параметров ее состояния. Удельная энергия деформации ударной волной

, (35)

где _т - предельное напряжение сдвига, Н/м²; - коэффициент Пуассона; Е - модуль деформации, Н/м².

Ударные волны, таким образом, создают зоны сгущения и разрежения, соответственно сжатие и расширение частиц, усиливая их колебательное движение и ускоряя разрыв межчастичных связей.

Как известно, поры в почве находятся под давлением воздуха, содержащегося в ней. Ударная волна вызывает в порах резкий рост этого давления и растягивающих напряжений в ее стенках.

Следствием возросшего давления является разрыв межчастичных связей. Появляются трещины, на ее свободных поверхностях освобождается упругая потенциальная энергия, аккумулируемая внутри поры. Изменение внутренней энергии воздуха в почвенной поре

U₂ = p_gV , (36)

где р_g - конечное давление воздуха в поре, Па; V - объем поры, м³; - степень приращения напряжения сжатия.

Энергия, способствующая процессам разрушения (крошения) почвенного слоя

U = U₁ + U₂ . (37)

Эта энергия вибрационных колебаний в почвенном слое, по нашим расчетам, снижает энергоемкость обработки почвы, примерно на 30%.

По данным исследований ВИМ в 1950…1960 гг., энергоемкость обработки почвы различными вибрирующими рабочими органами снижается на 20…40 % по сравнению с невибрирующими. Вибрирующие рабочие органы особенно эффективны при поверхностной обработке почвы.

В общем случае схема работы автоколебательной культиваторной лапы выглядит следующим образом (рис. 14, 15). Подвижность лапы обеспечивается упругой плоской пружинной стойкой массой m_c. Лапа при поступательном движении агрегата со скоростью v испытывает силовое и кинематическое возбуждения, амплитуды которых обозначены на схеме соответственно A_R и A_z. Культиваторная лапа совершает колебательные перемещения в горизонтальном, под действием сил сопротивлений, и вертикальном направлениях вместе с рамой орудия из-за неравномерности рельефа поля.

Статистические характеристики профиля поверхности полей степной зоны Челябинской области показывают, что поля ровные, частота колебаний рамы почвообрабатывающих машин составляет 1..3 мин^-1. Поэтому принимаем: культиваторная лапа не совершает колебаний в вертикальном направлении.



Рис.14. Культиваторная лапа на пружинной стойке

Рис.15. Форма кривой пружинной стойки рабочего органа

В нашей схеме граничными условиями являются: один конец стержня закреплен у = 0, а другой свободный - у = h. Для такой схемы характеристическое уравнение частоты колебания стержня

chcos + 1 = 0 , (38)

где = h; - угловое смещение на единицу длины стержня, градус.

Это уравнение является квадратичной комбинацией гиперболической и тригонометрической функции колебания стержня, которая дает форму кривой пружинной стойки рабочего органа. Она будет складываться из кривой косинусов и цепной линий или кривой трактрисы (см. рис. 15).

На основании полученного нами уравнения тягового сопротивления рабочего органа в общем виде, с учетом силы трения почвы о рабочую поверхность, сила тяги культиваторной лапы

Р = [сgab(v_л - v_п) + Еab](sinв + fcosв) , (39)

где v_л - скорость движения лапы, м/с; v_п - скорость движения почвы, м/с; в - угол крошения, градус; f - коэффициент трения.

Проход вибрирующей лапы в почве сопровождается ударными импульсами силы упругости ее стержня на объем почвы на лапе. За счет этого объем почвы получает перемещение с определенной скоростью. На этом участке лапа движется, не встречая сопротивления, что снижает тяговое сопротивление лапы.

Скорость перемещения почвы определяется из системы уравнений

mv_пн - mv_пк = F_упр Дt ; (40)

= F_упр ? ,

где m - масса почвы, кг; v_пн - начальная скорость движения почвы, м/с; v_пк - конечная скорость движения почвы, м/с; F_упр - сила упругости стержня лапы, Н/м; Дt - время воздействия силы, с; ? - путь, проходимый почвой за время Дt, м.

Если принять, что конечная скорость движения почвы равна скорости движения лапы v_л, то преобразованием уравнений получим

v_пср v_л /2 . (41)

Тогда тяговое сопротивление вибрирующей лапы

R = [сgab(v_л - v_л/2) + Еab](sinв + fcosв). (42)

Графики (рис. 16) показывают, что расчетные кривые эквивалентны экспериментальным, что подтверждает правильность полученного нами на основе реологической модели почвы уравнения тягового сопротивления рабочего органа.



а б

Рис. 16. Зависимость тягового сопротивления культиваторной лапы:

а - от скорости движения: расчетная; экспериментальная (Н.К.Мазитов); б - от влажности почвы: расчетная; экспериментальная (Н.Г.Дубровин) 1 - вибрирующая культиваторная лапа; 2 - невибрирующая культиваторная лапа; h - высота диаграммы, показывающая значение тягового сопротивления

Разработанный способ основной обработки почвы (патент РФ на изобретение № 2220523) осуществляется рабочим органом (патент на изобретение № 2216888), содержащим комбинирующий конический винт и плоскорежущий лемех (рис. 17).

Технологический процесс его работы заключается в следующем. Плоскорежущая лапа подрезает почвенный пласт на требуемой глубине. С этого пласта коническим многозаходным винтом почва снимается слой за слоем. Эти слои при движении по криволинейной поверхности ножей растягиваются, разрываются вследствие различия размеров и форм поверхностей частиц, различия поверхностей скольжения. Верхний слой с растительными остатками, снятый первым ножом, двигаясь по винтовой поверхности, оказывается в самом низу, самый нижний оказывается наверху, тем самым происходит перемещение почвенных слоев по вертикали. Также происходит частичное взаимное перемешивание этих слоев. Предусматривается внесение жидких удобрений, растворов, структурообразователей и т.д. через трубки 8 и 9. Дополнительное крошение почвенных комков и их перемещение выполняются лопатками 4 и штифтами 5.

Рис. 17. Рабочий орган для основной обработки почвы:

1 - цилиндрообразный корпус; 2 - плоскорежущий лемех; 3 - конический многозаходный винт; 4 - лопатка; 5 - штифт (пластина); 6 - привод цилиндра; 7 - привод винта; 8 - трубка подачи структурообразователей; 9 - трубка подачи удобрений, известковых растворов и т.д.

Проход плоскорежущей лапы не должен сопровождаться сжатием почвы, условия соблюдения этого требования рассмотрены ниже.

Основным параметром, предопределяющим подъем и перемещение почвы по рабочей поверхности ножа, усилие, затрачиваемое на деформацию почвы, и качество выполнения работ является высота подъема пласта h (рис. 18.).

Рис. 18. Силовые характеристики движения клина в почве:

а - глубина обработки почвы; L - длина трещины отрыва; l - проекция ширины клина на дно борозды; h - высота подъема пласта; б - угол наклона клина; ц - угол трения; G - сила тяжести пласта; N - нормальная сила давления пласта на поверхность клина; Р - сила сжатия пласта; Р_х , Р_у - горизонтальная и вертикальная составляющие силы Р; Р_п - сила подпора почвы

Высота подъема, ширина ножа связаны между собой через угол наклона ножа к дну борозды (угол крошения): h = Нsinб. При движении клина, за счет силы сжатия пласта Р, в плоскости дна борозды создаются нормальные напряжения растяжения, эпюры которых показаны на рисунке. При достижении сжимающими усилиями некоторого значения происходит разрыв связи между частицами, появится трещина, через которую будет вырываться упругая энергия сжатого пласта. Появится трещинодвижущая сила, продвигающая трещину дальше, например, на величину L. Линия отрыва на рисунке показана штриховой линией.

Условие отрыва почвы от дна борозды

N ? у_вр^отр , (43)

где у_вр^отр - временное сопротивление отрыву, Н/м².

По (рис. 18)

N = Gcosб = qVcosб , (44)

где G - сила тяжести объема почвы, ограниченного линиями cdkeс, Н; q - коэффициент объемного смятия, Н/м³; V - объем почвы, м³.

За площадь поперечного сечения сжимаемой почвы без большой погрешности можно принять площадь трапеции сdknc.

Таким образом,

N = q cosб . (45)

И минимальный угол наклона клина, при котором произойдет отрыв почвенного пласта от дна борозды и его крошение, определится из равенства

q cosб = у_вр^отр . (46)

Подставив в уравнение значения составляющих для тяжелосуглинистых плотных черноземов: q = 11,6 кг/см³; у_вр^отр = 6,37 кг/см² и параметры обработки почвы: а = 0,3 м; Н = 0,08 м; b = 0,3 м; получим б = 18⁰. То есть, при углах наклона клина, начиная с 18⁰, происходит сжатие почвенного пласта.

Данный вывод подтвердили и опыты на почвенном канале. При движении клиньев с углами наклона в пределах 5⁰…15⁰, пласт, наползающий на наклонную поверхность, сходил с нее без сгруживания.

Расчетами установлен угол наклона лемеха для данного комбинированного рабочего органа 10⁰.

Энергетические затраты на прохождение конического винта в почве зависят от конструктивных параметров, определяемых углом при вершине винта б и углом наклона ножей к оси винта г.

Сила, продвигающая в почвенном слое конический винт, определяется величиной угла при его вершине (рис. 19):

Р = 2 k S_бок sin /2 = 2 k R l_к sin Н , (47)

где k - удельное сопротивление разрыхленной почвы, k = 40•10² Па; S_бок - боковая поверхность конуса, м²; R - радиус конуса, м; l_к - длина образующей конуса, м; - угол при вершине конуса, градус.



На работу конического винта влияет расположение ножей на его поверхности. При больших углах их наклона г к осевой линии будет затруднено скольжение почвы по поверхности ножей, приводящее к сгруживанию почвы на винте, что повысит его тяговое сопротивление (рис.19а). Скорость скольжения почвы по поверхности ножа (рис.19б) определяется условием

V_ск = Vcosг/2fcosб , (48)

где f - коэффициент трения почвы о поверхность ножа.

С увеличением рабочей скорости (рис. 19в) увеличивается тяговое сопротивление конического винта

Р = 2 ?(abсgv)sin(б/2)sinб , (49)

где ? - длина образующей конического винта, м.

Глава 5. Оценка результатов исследований

Программа хозяйственной проверки разработанных технологических и технических решений предусматривала решение следующих вопросов:

- дать агротехническую и энергетическую оценку работы культиватора КБМ-15П с вибрирующими рабочими органами для предпосевной обработки почвы;

- дать агротехническую и энергетическую оценку работы комбинированного рабочего органа для основной обработки почвы;

- дать сравнительную оценку традиционной технологии возделывания пшеницы и технологии прямого посева с применением нулевой обработки почвы.

Агротехническая (по ОСТ104.2-2001) и энергетическая (по ОСТ102.2-2002) оценка работы культиватора КБМ-15П с вибрирующими рабочими органами (рис.20а) осуществлялась в Уральском ИЦ СХТ при ЧГАУ. Вибрирующие культиваторные лапы по сравнению с невибрирующими культиваторными лапами КПС-4 уменьшают энергоемкость поверхностной обработки почвы на 16%. Удельная поверхность почвенного слоя, обработанного вибрирующими лапами, 120 м²/г против 89 м²/г - с невибрирующими.

Агротехническая (по ОСТ104.2-2001), энергетическая (по ОСТ102.2-2002) оценка работы комбинированного рабочего органа (рис. 20б) производились при испытаниях на полигоне ЧГАУ и в условиях фермерского хозяйства «Салават Юлаев» Сосновского района Челябинской области. Почва полигона - обыкновенный тяжелосуглинистый чернозем. Влажность почвы на глубине 0…30 см была 28…30%. Почвы хозяйства - выщелоченный чернозем, средний суглинок. Рельеф ровный. Влажность почвы 19,6%, твердость на глубине 20 см составила 1,03 МПа.

а

б

Рис. 20. Образцы разработанной техники:

а - культиватор КБМ-15П с вибрирующими рабочими органами;

б - комбинированный рабочий орган с цилиндрообразным корпусом

Рабочий орган на испытаниях агрегатировался с трактором ДТ-75М. Скорость движения менялась в пределах 4…8 км/час. Частота вращения конического винта - 20…30 об/мин. Глубина обработки 30 см, ширина захвата 34 см. Получено хорошее крошение и перемешивание почвенных слоев (табл. 2,3).

Содержание почвенных фракций до 50 мм после обработки составило 70…75%, фракций до 20 мм - 10…15%. Величины плотности и удельной поверхности почвенных пластов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Агротехнические показатели обработанной почвы

Почвенные слои, см	Плотность, г/см3	Удельная поверхность, м2/г
0…10	0,97	102,1
10…20	1,12	97,3
20…30	1,25	82,8

Результаты обработки почвенного слоя рабочим органом (см. табл. 2) показывают, что агротехнические показатели работы комбинированного рабочего органа вполне удовлетворительны. Так, плотность почвенных слоев соответствует требованиям всех полевых культур, удельная поверхность будет способствовать созданию всех режимов (водный, воздушный, тепловой, питательный) для произрастания сельскохозяйственных культур.

Энергетические показатели (измерительный регистрирующий комплекс МIC-400D) комбинированного рабочего органа в сравнении с показателями плоскорежущей лапы глубокорыхлителя и корпуса плуга выглядят предпочтительными (табл. 3).

Глубина обработки почвы всеми рабочими органами 30 см. Ширина захвата плоскорежущей лапы 50 см, плужного корпуса 35 см.

Энергетические затраты при обработке почвы комбинированным рабочим органом ниже на 15% по сравнению с плоскорезной лапой и ниже на 24% по сравнению с плужным корпусом, при лучшем качестве работы.

Таблица 3. Показатели работы рабочих органов

Показатель	Комбинированный рабочий орган	Плоскорежущая лапа глубокорыхлителя	Корпус плуга
Тяговое сопротивление, кН	3,3	5,7	4,4
Площадь поперечного сечения обрабатываемого слоя, см2	1020	1500	1050
Удельное тяговое сопротивление, кПа	32	38	42

Удельные энергетические затраты (рис. 21) экспериментального рабочего органа в сочетании конического многозаходного винта с плоскорежущим лемехом (2) ниже, чем у ротационного плуга ПР-2,7 (1).

Таким образом, энергоемкость обработки почвы вибрирующей культиваторной лапой и комбинированным рабочим органом снижается до 15…24%.

Применение нулевой обработки почвы и прямого посева в ОАО «Восточное» дало повышение урожайности пшеницы сортов «Саратовская элита», «Уралочка» по сравнению с традиционной технологией на 4 ц/га. Расход топлива только на весенне-полевых работах снизился на 4…5 кг/га.

Выполненный расчет эффективности возделывания пшеницы для ОАО «Восточное» показал, что:

- топливно-энергетические затраты по сравнению с традиционной технологией при минимальной технологии ниже на 29%, при технологии прямого посева - на 38 %;

Рис. 21. Зависимость удельной энергоемкости от рабочих скоростей

- расход топлива по этим технологиям возделывания ниже, чем при традиционной технологии, соответственно на 27,6 и 33,1 кг/га.

Как показали испытания культиватора КБМ-15П в АО «Родник», годовой экономический эффект составил 210351,5 рублей.

Технический уровень рабочих органов определялся расчетом критерия технического уровня по методике Украинского НИИМЭСХ. Критерий технического уровня вибрирующего рабочего органа культиватора - 2,05, комбинированного рабочего органа - 1,8. По аттестационной шкале разработанные рабочие органы относятся к категории перспективной конструкции.

На основании выполненных работ были разработаны рекомендации производству по повышению эффективности возделывания зерновых культур, применению технологии прямого посева и системы машин для ресурсосберегающих технологий.

Общие выводы

1. Выявлено, что почва представляет собой иерархическую, подвижную и саморегулируемую систему, в которой происходят естественные динамические (физико-механические) процессы, восстанавливающие ее структуру. Эти процессы идут на уровне почвенных частиц размером 10^-7 …10^-6 см, где проявляется активность почвенных коллоидов, влияние сил молекулярного и ионно-электростатического происхождения и происходит взаимодействие составляющих почву фаз, что в естественных условиях вызывает подвижное состояние почвы, предотвращая ее переуплотнение. В естественных природных условиях она формирует почвенную структуру, в ней устанавливаются водный, воздушный, тепловой и питательный режимы. С учетом этого должны строиться механические и технологические воздействия на почву.

2. Установлен механизм процесса саморазрыхления почвы в естественном состоянии, заключающийся в том, что в почве за счет взаимодействия между её частицами, их колебательного движения, взаимодействия фаз, адсорбции водяных паров из окружающей среды и почвы происходит разрыв связей между частицами почвы. Саморазрыхлению способствуют почвенная вода, почвенный воздух и воздействие окружающей среды. Саморазрыхление почвы происходит также за счет процессов ее увлажнения и высыхания, промерзания и оттаивания, за счет разрыхляющих и роющих действий корней растений, микроорганизмов и червей. Это обеспечивает возможность осуществлять прямой посев семян без многократных технологических воздействий на почву, сократить энергетические затраты. Механизм процесса саморазрыхления почвы является научной основой ресурсосберегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур.

3. Выдвинута и подтверждена гипотеза о наличии в почвенной системе четвертой, плазменной фазы - фазы почвенного раствора. На этой основе, из условия образования почвенного раствора (его энергетические характеристики: степень электрической диссоциации 44,9%; удельная электропроводность 1472 См/м; концентрация 1,33 г/л; содержание нитратов 183 мг/л; рН - 8,9), требуемого для роста и развития сельскохозяйственных культур, установлено, что комплексным агротехническим показателем качества обработки почвы является её удельная поверхность. За агротехнически необходимую удельную поверхность принята удельная поверхность черноземов в естественном рыхлом сложении - 130 м²/г. Действительная удельная поверхность черноземов степных зон находится в пределах 90 м²/г.

4. Установлено, что обработка почвы проходит в скоростном режиме, при котором количество факторов, влияющих на процесс, не постоянно, а величина и направление силовых факторов меняются ежесекундно. В этих условиях определение разрушающей почву силы не корректно. Целесообразно определять энергию, расходуемую на разрушение (крошение) почвы, и по её величине оценивать эффективность механического воздействия на почву.

5. Определено, что для крошения почвенного пласта плотностью 1,5 г/см³ требуется затратить 436 кДж. Сила сжатия, обеспечивающая такую энергию крошения, равна 6045 Н и возникает при скоростях движения более 14 км/ч, что недоступно для рабочих органов, работающих на принципе сжатия почвенного пласта и не обеспечивающих агротехнически необходимую удельную поверхность обработки.

6. Предложено уравнение тягового сопротивления рабочего органа, определяющее расход энергии на обработку единицы объема почвы в зависимости от конструктивно-режимных параметров рабочего органа, оцениваемых скоростным коэффициентом и К.П.Д. орудия, и состояния обрабатываемого пласта почвы, оцениваемого коэффициентом его деформации.

7. Разработана реологическая модель почвы, отражающая ее трехуровневую и трехфазную структуру и обеспечивающая возможность количественной сравнительной оценки различных принципов воздействия на почву. Модель объясняет необходимость применения при обработке почвы принципов растяжения и вибрации почвенного пласта, обеспечивающих снижение энергетических затрат до 30%, и показывает, что почва обладает структурной вязкостью.

8. Установлено, что структурная вязкость почвы - величина переменная. На начальном этапе механического воздействия почва обладает максимальной вязкостью. К концу воздействия структура почвы нарушается, и вязкость становится минимальной, что объясняет целесообразность и необходимость разработки рабочих органов с переменной формой и геометрией поверхностей скольжения почвы, комбинированных рабочих органов и приемов предварительного рыхления почвы.

9. Расчеты показывают, что продолжительность весенне-полевых работ и энергетические затраты на возделывание зерновых культур с применением технологии прямого посева значительно меньше, чем при традиционной технологии. Установлено, что при прямом посеве почва ежегодно теряет азот с различной интенсивностью, в зависимости от севооборотов, а питательные вещества с годами накапливаются в верхнем (5…7 см) слое, обедняя нижние слои. Поэтому для взаимного перемешивания почвенных слоев, заделки растительных и послеуборочных остатков, обогащения нижних слоев питательными веществами и уничтожения сорной растительности следует проводить периодическую (один раз в три-четыре года) основную обработку почвы с оборотом пласта.

10. Разработаны технические средства, обеспечивающие щадящее воздействие на почву и снижение энергетических затрат на её обработку:

- для основной обработки почвы - комбинированный конический винтовой рабочий орган на принципе растяжения пласта (угол крошения плоскорежущего лемеха 10⁰; диаметр основания конуса 0,30 м; длина образующей конуса 0,44 м; угол при вершине винта 40⁰; угол наклона ножей на конической поверхности 30⁰; число ножей 4; высота ножей 0,05 м);

- для поверхностной обработки почвы - установлены форма упругой стойки и рабочие параметры вибрирующей культиваторной лапы: частота колебаний 20…45 с^-1; амплитуда колебаний 12…20 мм; коэффициент упругости пружинной стойки 8…15 Н/мм.

11. Проведена агротехническая и энергетическая оценка работы культиватора с вибрирующими лапами и комбинированного рабочего органа, показавшая, что:

- удельная поверхность обработанного вибрирующими культиваторными лапами почвенного слоя составила 112 м²/г. Энергетические затраты при поверхностной обработке почвы вибрирующими культиваторными лапами снижаются на 16% по сравнению с невибрирующими;

- удельная поверхность почвенного слоя, обработанного комбинированным рабочим органом, глубиной 0…30 см находится в пределах 102…83 м²/г, плотность верхнего слоя до 10 см составляет около 0,97 г/см³. Энергетические затраты снижаются на 24% по сравнению с плугом.

12. Применение нулевой технологии обработки почвы при возделывании зерновых культур в степной зоне Челябинской области позволяет снизить топливно-энергетические затраты на 29…38%, по сравнению с традиционной технологией, а расход топлива на 27,6…33,5 кг/га; только на проведение весенне-полевых работ при прямом посеве топлива расходуется меньше, чем при обычном посеве, на 4…6 кг/га, при этом урожайность зерновых возрастает на 3…4 ц/га.

13. Директивными органами одобрены и рекомендованы к применению рекомендации производству по внедрению энергосберегающих технологий обработки почвы и рабочих органов для их реализации, разработанные на основе выполненных исследований.

Основное содержание диссертации опубликованы в следующих работах

Патенты на изобретение:

1. Патент РФ №2220523. Способ обработки почвы /Бледных В.В., Рахимов Р.С., Мамбеталин К.Т., Одинцов В.Д.; заявитель и патентообладатель Челябинский государственный агроинженерный университет. - №2002116183; заявл. 19.06.2002; опубл. 10.01.2004, Бюл. №1. - 7с.

2. Патент РФ № 2216888. Рабочий орган для обработки почвы /Бледных В.В., Рахимов Р.С., Мамбеталин К.Т., Пашнин В.Н.; заявитель и патентообладатель Челябинский государственный агроинженерный университет. - №2002116132; заявл. 19.06.2002; опубл. 27.11.2003, Бюл. №33.- 7с.

Монографии:

1. Мамбеталин К.Т. Почва и ее тайны: монография. - Челябинск, 2000. - 100 с.

2. Мамбеталин К.Т. Энергетические основы почвообработки: монография. - Челябинск, 2002. - 104 с.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Мамбеталин К.Т. Реологическая модель почв // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2006. - № 6. - С. 14-16.

2. Мамбеталин К.Т. Механизм саморазрыхления почвы // Аграрная наука. -2006. - № 2. - С.11-13.

3. Мамбеталин К.Т. Об агротехнической оценке качества обработки почвы // Аграрная наука. - 2006. - № 5. - С. 10-13.

4. Мамбеталин К.Т. Длительность применения нулевой технологии // Достижения науки и техники в АПК. - 2006. - №5. - С. 30-31.

5. Мамбеталин К.Т., Нуралиев Б.К. Орудие для основной обработки почвы // Сельский механизатор. - 2007. - №4. - С. 48-49.

6. Мамбеталин К.Т. Энергия крошения почвы // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007.- № 5. - С.29-30.

7. Мамбеталин К.Т. и др. Методологические подходы моделирования технологических систем уборки зерновых культур // Вестник Красноярской ГАС. - №4. - Красноярск. - 2008. - С.207-210.

8. Мамбеталин К.Т. Влияние схемы обработки почвы на тяговое сопротивление рабочего органа // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009.- №1. - С.8.

9. Мамбеталин К.Т. Почва в свете квантовой механики //Аграрная наука. - 2011. - №8. - С. (в печати).

10. Нестяк В.С. Обработка почвы при прямом посеве /Нестяк В.С., Мамбеталин К.Т. //Вестник Алтайского ГАУ. - 2011. - №10. - С. (в печати).

11. Нестяк В.С. Механико-технологические аспекты энергетики обработки почвы /Нестяк В.С., Мамбеталин К.Т. //Вестник Алтайского ГАУ. - 2011. - №10. - С. (в печати).

12. Мамбеталин К.Т. Тепловая энергия в почвенных слоях //Аграрная наука. - 2011. - №9. - С. (в печати).

13. Мамбеталин К.Т. К выбору принципа воздействия на почву при ее обработке для снижения ее энергоемкости // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - №9. - С. (в печати).

Публикации в материалах конференций и сборниках научных трудов:

1. Мамбеталин К.Т. К вопросу обоснования конструктивной схемы комбинированных почвообрабатывающих посевных агрегатов для условий Северного Казахстана // Вестник ЧГАУ. - Челябинск. - 1997. - Т.21. - С. 66-70.

2. Мамбеталин К.Т. Оптимизация комбинированного почвообрабатывающе-посевного агрегата // Вестник ЧГАУ. - Челябинск. - 1998. - Т.25. - С. 65-67.

3. Мамбеталин К.Т. Энергетические основы почвообработки (статья) //Труды ЧГАУ: тезисы докладов на ХL науч.-техн. конф. /Челябинск. - 2000. - С. 132-133.

4. Мамбеталин К.Т. Оценка структуры почвы // Вестник ЧГАУ. - Челябинск. - 2001. - Т.33. - С. 146-148.

5. Нестяк В.С. К вопросу снижения энергоемкости обработки почвы /Нестяк В.С., Мамбеталин К.Т. //Актуальные вопросы научного обеспечения производства сельскохозяйственной продукции в Сибири: материалы междунар. науч.-практ. конф. (Новосибирск, 26-27 мая 2011 г.) /СибИМЭ. - Новосибирск. - 2011. - С. (в печати).

6. Нестяк В.С. К основной обработке почвы при нулевой технологии /Нестяк В.С., Мамбеталин К.Т. //Диверсификация растениеводства и No-Till как основа сберегающего земледелия и продовольственной безопасности страны: сб. докл. междунар. конф., посвященной 20-летию Независимости Республики Казахстан, 23-24 июля 2011 г. - Астана-Шортанды. - 2011. С.206-211.

Рекомендации для науки, производства и образования:

1. Оценка результатов мониторинга за состоянием почвы при систематическом воздействии различных рабочих органов почвообрабатывающих машин / Рахимов Р.С., Кокорин А.Ф., Мамбеталин К.Т. и др. // Научный отчет. - Х/д №36-97. -Челябинск. - 1998.

2. Совершенствование конструкции комбинированного универсального почвообрабатывающего посевного агрегата ППАБМ-14,7 для предпосевной обработки почвы и посева зерновых культур с разработкой конструкции бункера и высевающих аппаратов для одновременного внесения минеральных удобрений /Бледных В.В., Рахимов Р.С., Мазитов Н.К., Мамбеталин К.Т. и др. // Научный отчет. № ГР 01.2.00612878. - Х/д №6-07. - Челябинск. - 2006.

3. Мамбеталин К.Т. Рекомендации по повышению эффективности возделывания сельскохозяйственных культур. - Челябинск. - 2006. - 39 с.

Подписано к печати ______ 2011 г.

Формат 60х84 1/16. Объем 2,0 уч. -изд. л.

Тираж 100 экз. Заказ №

УОП ЧГАУ

454080, г.Челябинск, пр. В.И.Ленина,75

Размещено на Allbest.ru

...