Инновационная конструкция мелиоративного плуга для повышения плодородия почв при обработке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(27), 2017 г., [112-126]

УДК 631.895

Российский государственный аграрный университет - МСХА

имени К.А. Тимирязева

ИННОВАЦИОННАЯ КОНСТРУКЦИЯ МЕЛИОРАТИВНОГО ПЛУГА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВ ПРИ ОБРАБОТКЕ

Н.Н. Дубенок

Особенность сельского хозяйства заключается в том, что культивируемые растения, являясь основными средствами производства, в то же время выступают в качестве предметов, а в некоторых случаях и продуктов труда. Однако растения имеют довольно ограниченную возможность и способность регулировать такие показатели внутренней среды, как водный, пищевой и температурный режимы, что определяет высокую зависимость эффективности растениеводства от почвенно-климатических условий. Это положение чрезвычайно важно, поскольку растениеводство обладает статусом воспроизводимого ресурса жизнеобеспечения [1].

Продовольственная независимость всегда является ключевой задачей любого государства. К настоящему времени стало очевидным несовершенство многих элементов интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур, обусловленное существенными затратами исчерпаемой энергии, переходом к севооборотам с короткой ротацией и монокультуре, повышением экологической уязвимости агроэкосистем [1, 2].

Признавая первостепенную важность научного обеспечения в интенсификации сельскохозяйственного производства, перед учеными необходимо поставить задачу по обеспечению снижения степени риска за счет подбора адаптивных технологий применения мелиорантов, орошения, сельскохозяйственной техники, орудий и других средств интенсификации [3-5].

Немаловажной значимостью обладает и частный вопрос - водно-физическое и агрохимическое состояние пахотных земель. Наличие переуплотненной плужной подошвы влияет на жизнедеятельность почвенной биоты, на влажность, количество и доступность питательных веществ [6, 7].

Проблемы повышения продуктивности сельхозугодий заключаются также в сохранении влаги в корнеобитаемом слое в условиях засушливого климата, насыщении элементами питания растений и почвенной биоты и т. п. Это возможно, например, за счет внесения органоминеральных комплексов, в том числе на основе осадков сточных вод и сыпучих природных минералов [7, 8].

Необходима разработка универсальных орудий, сочетающих в себе несколько функций для уменьшения количества проходов по полю [8, 9].

Примером такого комбинированного орудия может служить разработанный мелиоративный плуг глубокорыхлитель-удобритель (заявка на изобретение № 2017106674/13 (011634) от 28.02.2017).

Его применение позволяет единовременно производить отвальную вспашку, внесение мелиорантов в подпахотный горизонт (это позволит растениям эффективно использовать питательные вещества большей корневой массой), увеличить глубину пахотного горизонта и разрушить плужную подошву.

Материалы и методы. Методологический замысел исследования основан на гипотезе о возможности создания комплексного орудия для обработки почвы и внесения твердых органических и минеральных удобрений в пахотный горизонт за один проход агрегата. Работа выполнена с применением научно-философских методов анализа, синтеза и дедукции.

Результаты и обсуждение. Разработанная конструкция мелиоративного плуга глубокорыхлителя-удобрителя (рисунок 1), включающая установленные на стойках 1 отвальные корпуса 2, снабженные лемехами 3. За отвальными корпусами 2 к стойкам 1 закреплены чизельные рыхлители 4. Для крепления чизельных рыхлителей к стойкам 1 в верхней части чизельных рыхлителей 4 предусмотрено отверстие 5. В задней части чизельных рыхлителей устраиваются тукопроводы 6 в виде лотков, закрытых герметично снаружи крышками.

Рисунок 1 - Мелиоративный плуг глубокорыхлитель-удобритель

Верхняя часть тукопровода 7 выполнена из эластичного материала и соединена с туковысевающими аппаратами (не показано). В задней части чизельного рыхлителя 4 на уровне размещения лемехов 3, установлены кронштены 8, оборудованные пружинами сжатия 9. Передняя нижняя часть чизельного рыхлителя 4 имеет двухстороннюю заточку 10 с покрытием твердым износостойким сплавом. В задней части чизельного рыхлителя 4, ниже плоскости размещения лемехов 3, предусмотрены туковыпускные форсунки 11, соединенные с тукопроводами 6. Чизельные рыхлители 4 в верхней части, выше отвальных корпусов 2, имеют отверстия 15, в которые установлены оси 12. Кронштейны 8 закреплены к башмакам 13 плужного корпуса. Между башмаками 13 и стенками кронштейна 8 установлены амортизаторы 14, выполненные из упруго-эластичного материала. Передняя часть чизельного рыхлителя с заточкой 10 выполнена по параболической кривой в соответствии с уравнением , где - координаты параболы по вертикали, - координаты параболы по горизонтали. Угол заточки передней части чизельного рыхлителя = 15-25°. Для выполнения технологического процесса мелиоративный плуг глубокорыхлитель-удобритель оборудован туковысевающими аппаратами, высоконапорным вентилятором с воздухопроводом, который герметично соединен с тукопроводами 7.

Орудие работает следующим образом.

При движении плуга в заглубленном состоянии на величину «а» органические удобрения, расположенные на поверхности почвы, захватываются лемешно-отвальным корпусом 2, который производит оборот подрезанного пласта. Органические удобрения при этом сбрасываются на дно борозды, образованной предыдущим проходом плуга. Так обеспечивается заделка органических удобрений в пахотный горизонт почвы. Чизельный рыхлитель 4 производит подрезание пласта ниже плоскости резания лемехом 3 (плужной подошвы). При этом, благодаря углу заточки = 15-25°, сопротивление резанию значительно уменьшается. Так как твердость почвы является величиной переменной, то нижняя часть чизельного рыхлителя будет совершать колебательные движения. При увеличении нагрузки чизельный рыхлитель отклонится назад и произведет сжатие пружины 9. При снижении нагрузки потенциальная энергия сжатой пружины будет перемещать пружину вперед до амортизатора 14. Вибрация пружины значительно уменьшает тяговое сопротивление плуга. В то же время минеральные удобрения или мелиоранты из туковысевающего аппарата подаются в тукопровод 7, в который направляется также под напором воздух, создаваемым вентилятором. При этом образуется туковоздушная смесь, которая по тукопроводу 6 подается к туковыпускным форсункам 11. Выходя под большим давлением из форсунок 11, туки проникают в трещины почвы, разрушенные чизельным рыхлителем 4. Таким образом, производится насыщение подпахотного горизонта минеральными удобрениями или мелиорантами.

Выполнение двух операций: внесение в почву органических и минеральных удобрений и одновременное углубление пахотного горизонта - обеспечивает значительное повышение плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур.

Длину пружины сжатия 9 принимают из условия , мм, где - наружный диаметр пружины, мм; - диаметр проволоки, мм.

Рекомендуется принимать длину пружины сжатия до 5 [10].

При определении параметров пружины сжатия принимают следующие обозначения: - допускаемое напряжение в кг/мм2; - число рабочих витков пружины; - коэффициент, учитывающий кривизну витка и влияние поперечной силы:

где - индекс пружины, зависящий от диаметра проволоки.

Рекомендуется в следующих пределах:

Расчетный шаг пружины в свободном состоянии, исходя из допускаемого напряжения пружины при сжатии ее до соприкосновения витков,

, мм.

, мм.

Полученное значение расчетного шага округляют до ближайшего табличного значения. Нагрузка пружины при сжатии ее до соприкосновения витков:

Н,

где - расчетный шаг пружины, мм.

 Н.

При расчетах различают следующие силы пружины - при предварительной деформации , H; при рабочей деформации, соответствующей наибольшему принудительному перемещению подвижного звена (чизельного рыхлителя), - , H. Обычно пружину устанавливают с действующей на нее начальной нагрузкой:

Максимальная сила пружины:

При изменении силы пружины от до жесткость пружины:

H/мм,

где - рабочий ход пружины, назначается по условиям работы рыхлителя, мм.

Жесткость одного витка для стальной пружины:

H/мм,

где - диаметр стальной пружины, мм;

- жесткость пружины, Н/мм.

Число рабочих витков пружины:

Полное число витков:

,

где = 1,5…2 - число опорных витков.

Деформация пружины:

мм,

где - сила сжатия пружины, Н.

Высота пружины при максимальной деформации:

мм,

где - число зашлифованных витков.

Высота пружины в свободном состоянии:

мм,

где - максимальная деформация, мм.

Согласно теории В. П. Горячкина [11], сопротивление деформации пласта пропорционально площади поперечного сечения пласта, т. е. , где - глубина пахоты; - ширина пласта. Сообщение живой силы частицам при отбрасывании пласта требует расхода энергии. При этом скорость отбрасывания частиц пласта пропорциональна скорости движения плуга. При учете всех составляющих сила тяги плуга может определяться по формуле [12]:

 кН,

где - коэффициент трения почвы о поверхность плуга;

- вес плуга, кг;

- удельное сопротивление плуга, кПа;

- глубина пахоты, м;

- ширина пласта, м;

- коэффициент, зависящий от формы рабочей поверхности отвала;

- скорость движения плуга, м/с.

Первый член выражает постоянное сопротивление - трение о дно борозды. инновационный почва пахотный удобрение

Второй член выражает сопротивление деформации среды, которое пропорционально квадрату линейного размера. При этом - удельное сопротивление плуга, кПа.

Третий член выражает изменение живой силы частиц почвы.

Мощность, необходимая на преодоление данной силы тяги, определяется по формуле [13]:

Коэффициент е, зависящий от формы рабочей поверхности отвала, свойств почвы и размеров почвенного пласта, в третьем члене уравнения равен:

,

где - удельный вес почвы, кг/см3;

- ускорение свободного падения, м/с2;

- угол наклона силы к горизонту, град.

Исследованиями свойств почвогрунтов, как объектов глубокого рыхления чизельными рабочими органами, установлено, что модуль упругости почвы является величиной переменной, а при определении свойств почвы необходимо учитывать роль и влияние почвенного воздуха, при динамическом сжатии которого проявляются упругодемпфирующие свойства почвы [14]. Применение в чизельном рыхлителе пружины сжатия обеспечивает ударно-вибрационное воздействие на подпахотный горизонт, что вызывает изменение модуля и обеспечивает формирование ударных упругих волн, способствующих разрушению почвогрунта.

Отмечено, что увеличение глубины обработки и площади взрыхленного слоя повышает коэффициент полезного действия чизеля. Тяговое сопротивление чизеля до критической глубины резания В. В. Труфанов предлагает определять по формуле [15]:

кН,

где - площадь сечения взрыхленной части пласта в слое до критической глубины резания, м2.

В орудии разработанной конструкции чизель используется в качестве щелереза, при этом рабочие органы должны быть расставлены по следующей зависимости [2, 13, 15]:

где - ширина междуследия рабочих органов, м;

- ширина захвата рабочего органа, м;

- глубина обработки, м.

Поперечные профили сечения пласта показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема поперечного профиля сечения пласта
при работе орудия с чизельным рабочим органом

Зоны распространения деформации почвы с боковых сторон рабочих органов соприкасаются. При этом площадь сечения взрыхленной части пласта:

, м2,

где - конструкционная ширина захвата чизеля, м.

Принимая значение = 90°, после преобразования получим:

, кН.

При глубине обработки больше критической > в слое ниже критической глубины происходит блокированное резание.

Коэффициент полезного действия

Выводы

Применение разработанной конструкции мелиоративного плуга глубокорыхлителя-удобрителя позволяет повысить плодородие пахотного горизонта путем внесения органических удобрений, увеличить глубину пахотного горизонта и обеспечить насыщение мелиорантами подпахотный горизонт почвы, что существенным образом отразится на увеличении урожайности и эффективности использования мелиорантов.

Список использованных источников

1 Машины и орудия для улучшения мелиоративного состояния почв и ухода за посевами. Современные разработки: монография / С. Я. Семененко, В. Г. Абезин, Н. Н. Дубенок, В. Ф. Лобойко. - Волгоград: Волгоградский ГАУ, 2016. - 244 с.

2 Новиков, А. Е. Совершенствование способов и технологий комплексной агротехнической мелиорации земель на Юге России: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 06.01.02 / Новиков Андрей Евгеньевич. - Волгоград, 2015. - 44 с.

3 Кузнецов, П. И. Влияние структурообразующих мелиорантов на водопрони-цаемость и влагоудерживающую способность светло-каштановых почв / П. И. Кузне-цов, А. Е. Новиков // Доклады РАСХН. - 2010. - № 4. - C. 36-38.

4 Кузнецов, П. И. Эффективность чизельной обработки почвы при возделывании зернобобовых смесей на капельном орошении / П. И. Кузнецов, В. И. Пындак, А. Е. Новиков // Вестник РАСХН. - 2009. - № 3. - C. 28- 31.

5 Чизелевание почвы: перспективные орудия и способы возделывания широ-корядных пропашных культур / И. Б. Борисенко, А. Е. Доценко, П. И Борисенко, А. Е. Новиков // Аграрный научный журнал. - 2015. - № 7. - C. 38-42.

6 Пындак, В. И. Энергоэффективность глубокого чизелевания / В. И. Пындак, А. Е. Новиков // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее образование. - 2013. - № 4. - C. 203-209.

7 Расширение функциональных возможностей чизельных орудий / В. И. Пындак, А. Е. Новиков, С. Д. Фомин [и др.] // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее образование. - 2014. - № 3. - C. 195-200.

8 Новиков, А. Е. Реологическое поведение почв Волгоградской области и научное обоснование современных подходов по выбору МТА / А. Е. Новиков // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее образование. - 2012. - № 3. - C. 204-209.

9 Новохатский, В. М. Повышение качества внутрипочвенного внесения твердых минеральных удобрений при основной безотвальной обработке почвы путем совершенствования параметров пневматического тукораспределительного устройства: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.20.01 / Новохатский Виктор Михайлович. - Волгоград, 2009. - 24 с.

10 Анурьев, В. И. Справочник конструктора машиностроителя: в трех томах / В. И. Анурьев. - 7-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - Т. 1. - 816 с.

11 Горячкин, В. П. Собрание сочинений: в трех томах / В. П. Горячкин. - М.: Изд-во «Колос», 1965. - Т. 2. - 459 с.

12 Халанский, В. М. Сельскохозяйственные машины / В. М. Халанский, И. В. Горбачёв. - М.: КолосС, 2004. - 624 с.

13 Труфанов, В. В. Глубокое чизелевание почвы: монография / В. В. Труфанов. - М.: Агропромиздат, 1989. - 142 с.

14 Пындак, В. И. Энергоэффективность машин и орудий для глубокой обра-ботки почвогрунтов / В. И. Пындак, А. Е. Новиков // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2014. - № 6. - C. 95-100.

15 Исследование работы чизельных орудий для глубокой обработки почвы / В. В. Труфанов, В. В. Юзбашев [и др.] // Труды ВИМ. - 1978. - Т. 82. - С. 115-138.

Аннотация

Целью представленных исследований является разработка инновационной конструкции плуга глубокорыхлителя-удобрителя для основной обработки почвы, позволяющая одновременно со вспашкой производить заделку в пахотный горизонт органических удобрений и различных мелиорантов. На основе методов анализа существующих конструкций и их синтеза разработан плуг, за корпусом которого для отвальной обработки почвы установлен чизельный рыхлитель, предназначенный для увеличения глубины пахотного горизонта и разрушения плужной подошвы, обладающий комплексным агротехническим мелиоративным воздействием. Чизельный рыхлитель оборудован тукопроводом для внесения в подпахотный горизонт мелиорантов, обеспечивающих повышение плодородия почвы. Для снижения тягового сопротивления чизельный рыхлитель имеет пружинный амортизатор в виде пружин сжатия и амортизатор из эластичного материала. Для напорной подачи мелиорантов в подпахотный горизонт плуг глубокорыхлитель-удобритель оборудован дозатором и высоконапорным вентилятором. Использование разработанной конструкции, в том числе на орошаемых агроландшафтах сухостепной зоны Нижнего Поволжья, за счет увеличения эффективных влагозапасов на 10-30 % будет способствовать повышению урожайности сельскохозяйственных культур на 12-14 %, увеличению содержания минеральных элементов питания в пахотном горизонте до 20 %, снижению плотности подпахотных горизонтов на 10-12 %, удельных расходов горюче-смазочных материалов (за счет совмещения операций) до 20 %, увеличению комплексного критерия энергоэффективности до 15 %.

Ключевые слова: органическое удобрение, мелиорант, лемешно-отвальный корпус, тукопровод, чизельный рыхлитель, плужная подошва, амортизатор, туковыпускная форсунка.

The aim of research is the development of an innovative design of a deep chisel cultivator plow for basic soil cultivation, which allows plowing and application of organic fertilizers and various ameliorants in plough layer simultaneously. Based on the methods of analysis of existing structures and their synthesis, a plow with a chisel ripper behind its body for dumping the soil designed to increase the plough layer depth and to destruct the plow sole has been developed that has a complex agrotechnical meliorative effect. The chisel ripper is equipped with a fertilizer pipe line for ameliorants application into the subsoil horizon, which ensures soil fertility increase. The chisel ripper has a spring shock absorber in the form of compression springs and a shock absorber made of elastic material to reduce the traction resistance. For pressure feeding of ameliorants into the sub-plow layer deep chisel fertilizer cultivator plow is equipped with a dispenser and a high-pressure fan. Using the developed design, particularly on irrigated cultivated lands of the dry steppe zone of the Lower Volga region, by increasing the effective moisture reserves by 10-30 % will contribute to the increase in the of agricultural crops yield by 12-14 %, the increase in the content of mineral nutrients in the plough layer to 20 %, the density reduction of sub-plough layers by 10-12 %, flow intensity of combustive and lubricating materials (due to the combination of operations) to 20 %, the increase in the complex criterion of energy efficiency to 15 %.

Key words: organic fertilizer, ameliorant, bottom dump body, fertilizer hose, chisel ripper, plow sole, shock absorber, fertilizer discharge nozzle.

Размещено на Allbest.ru