Введение к работе
Актуальность темы. В зернопроизводстве России приоритетным направлением является достижение высокой урожайности зерновых культур с применением технологий минимальной и нулевой обработки почвы и использованием агрегатов для прямого посева, обеспечивающие сохранение и воспроизводство плодородия почвы. Используемые для этого широкозахватные, высокопроизводительные посевные, почвообрабатывающе-посевные машины и комплексы агрегатируются с мощными энергонасыщенными тракторами, имеющими высокое удельное давление на почву. Площадь непосредственного уплотнения движителями трактора в среднем составляет 12…16% площади поля. При этом уплотнение достигает до 1 м и более как в глубину почвенного горизонта, так и в поперечном направлении и носит кумулятивный характер. Урожайность зерновых культур на этих участках снижается до 40…70%. Одним из существующих способов борьбы с уплотнением почвенного горизонта движителями тракторов является уменьшение интенсивности их уплотняющего действия на почву посредством создания перед ними верхнего разрыхленного слоя, обладающего демпфирующими свойствами и создаваемого передненавесным почвообрабатывающим орудием. Однако применяемые способы и средства механизации обработки почвы при этом не обеспечивают необходимую несущую и демпфирующую способность разрыхленного верхнего слоя, который не в полной мере снижает уплотнение всего почвенного горизонта.
Поэтому разработка технологического процесса и устройства для создания подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора с сохранением поверхностного стерневого слоя с необходимой несущей способностью, обеспечивающего эффективное снижение уплотнения всего почвенного горизонта, является актуальной научной и практически значимой задачей.
Степень разработанности темы. Для снижения уплотнения почвы разработаны различные способы, предусматривающие, в основном, увеличение площади опорной поверхности движителей тракторов или формирование перед ними разрыхленного верхнего слоя соответственно применением широкопрофильных, арочных, сдвоенных, строенных, с регулируемым давлением шин, пневмогусениц, многоосных движителей и передненавесных почвообрабатывающих орудий на трактор, а также других устройств. Однако эти способы увеличивают или площадь уплотнения или интенсивность деформации движителями тракторов верхнего слоя почвы. Поэтому решение данной задачи требует дальнейших теоретических исследований и создание эффективных средств механизации.
Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА» в рамках задания 02.01.03 «Разработать комплекс приоритетной почвообрабатывающей и посевной техники высокого технического уровня с оптимальным набором сменных рабочих органов, адаптированных к различным почвенным условиям», направленной на решение проблемы «Научные основы формирования эффективной системы АПК».
Цель работы – снижение уплотнения почвы разработкой и применением рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя перед движителем трактора.
Задачи исследований:
-
Исследовать уплотняющее действие движителей трактора на почву при прямом посеве по стерневому фону, определить пути его снижения, разработать способ снижения уплотнения созданием подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителями трактора и конструктивно-технологическую схему рыхлителя для его осуществления.
-
Теоретически обосновать зависимость величины нормальных сжимающих напряжений и плотности почвы в почвенном горизонте под движителем трактора от физико-механических свойств подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, его параметров, а также конструктивные, технологические параметры и энергетические показатели рабочих органов рыхлителя.
-
Экспериментально исследовать влияние параметров подповерхностно-демпфирующего слоя почвы на снижение уплотнения почвы движителем трактора и определить рациональные конструктивные, технологические параметры и энергетические показатели рабочих органов, обеспечивающих эффективный технологический процесс работы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы.
-
Провести полевые исследования экспериментального рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора и экономически обосновать эффективность его применения.
Объект исследований – технологический процесс работы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора.
Предмет исследований – параметры снижения уплотнения почвы, конструктивные и технологические параметры, а также энергетические показатели рабочих органов рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы (асимметричная плоскорежущая подрезающая лапка, плоскорежущая асимметричная рыхлительная лапка) и выравнивателя (дисковая батарея).
Научная новизна работы:
– технологический процесс работы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора, конструктивно-технологическая схема и рабочие органы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы и выравнивателя, обеспечивающие снижение уплотнения почвы;
– теоретические зависимости величины нормальных сжимающих напряжений и плотности почвы в почвенном горизонте под движителями трактора от физико-механических свойств подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, его параметров, а также зависимости по обоснованию конструктивных, технологических параметров и энергетических показателей рабочих органов рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы.
Новизна технологического процесса работы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы подтверждена патентом РФ на изобретение № 2453088 «Способ борьбы с уплотнением почвы движителями сельскохозяйственных тракторов».
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований позволили обосновать и разработать рыхлитель подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора. Создание разрыхленного подповерхностно-демпфирующего слоя высотой 0,075 м с сохранением верхнего стерневого слоя высотой 0,08 м позволяет уменьшить границу переуплотняющих напряжений с 0,63 м до 0,39 м. Использование выравнивателя позволяет выровнять поверхность следа трактора и обеспечить заданную глубину заделки семян. Применение экспериментального рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы и выравнивателя на базе трактора «Беларус 1523» в агрегате с посевным агрегатом АУП-18.07 по стерневому фону позволило снизить плотность почвы в слоях 0,10…0,20; 0,20…0,30; 0,30…0,40; 0,40…0,50; 0,50…0,60 м соответственно на 0,09; 0,08; 0,06; 0,03; 0,01 г/см3 и обеспечить прибавку урожайности ярового ячменя «Волгарь» на 0,12 т/га (5,1%) в сравнении с агрегатом: трактор «Беларус 1523» и посевной агрегат АУП-18.07.
Методология и методы исследований. Теоретические исследования рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы проводились на основе базовых положений законов и методов классической механики, математики, механики почво-грунтов, теории клина.
Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторно-полевых и полевых условиях применением метода сравнительных исследований технологического процесса работы экспериментального рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, выравнивателя по параметрам, обеспечивающим снижение уплотнения почвы в соответствии с действующими стандартами, теорией планирования многофакторных экспериментов, стандартными и разработанными частными методиками. Полученные экспериментальные данные статистически обрабатывались с использованием компьютерных программ «Microsoft Office Excel» и «Mathcad».
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
– технологический процесс создания подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора, конструктивно-технологическая схема и новые рабочие органы разработанного рыхлителя для его формирования;
– теоретические зависимости величины нормальных сжимающих напряжений и плотности почвы в почвенном горизонте под движителями трактора от физико-механических свойств подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, его параметров, а также зависимости по обоснованию конструктивных, технологических параметров и энергетических показателей рабочих органов рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы;
– рациональные конструктивные, технологические параметры и энергетические показатели рабочих органов рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы (ширина захвата крыльев асимметричной плоскорежущей подрезающей лапки, ширина захвата крыльев и угол крошения асимметричной плоскорежущей рыхлительной лапки, расстояния между лапками) и выравнивателя (угол атаки дисковых батарей).
Степень достоверности и апробации результатов. Степень достоверности результатов исследований подтверждается сходимостью результатов расчетов величины снижения нормальных сжимающих напряжений и величины энергозатрат на создание подповерхностно-демпфирующего слоя с результатами лабораторно-полевых и полевых исследований экспериментального рыхлителя по определению влияния конструктивных и технологических параметров его рабочих органов на плотность подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, обеспечивающего снижение уплотнения почвенного горизонта.
Разработанный рыхлитель для разрыхления подповерхностно-демпфирующего и сохранения верхнего стерневого слоев почвы, обеспечивающих снижение уплотнения всего почвенного горизонта, внедрен в ГНУ «Поволжский научно-исследовательский институт селекции и семеноводства им. П.Н. Константинова» Самарской области.
Экспериментальный рыхлитель экспонировался на «ХIV Поволжском агропромышленном форуме» 14…15 сентября 2012 г., где награжден дипломом и золотой медалью.
Основные положения диссертации и результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА» (2007…2013 гг.) и ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2013 г.).
Публикации. По диссертационной работе опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, указанных в «Перечне … ВАК», получен патент РФ на изобретение, без соавторов опубликована одна статья. Общий объем публикаций составляет 1,74 п.л., из них 0,93 п.л. принадлежит автору.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 118 наименований и приложения на 17 с. Работа изложена на 131 с., содержит 5 табл. и 51 рис.
