автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Механико-технологическое обоснование обработки колеи в зауженных междурядьях

- В.

ОА

На правах рукописи УДК 631.312.021:634.15

Шехаде Мохамед Сайд

МЕХАНИКО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБРАБОТКИ КОЛЕИ В ЗАУЖЕННЫХ МЕЖДУРЯДЬЯХ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Краснодар, 1998

Работа выполнена в Северо - Кавказском зональной научно - исследовательском институте садоводства и виноградарства (СКЗНИИСиВ, г. Краснодар)

Научные руководители -

доктор технических наук

Бондарев В.А, кандидат технических наук Василинин В.С.

Официальные оппонента •

доктор технических наук, профессор Чеботарев В .А., кандидат технических наук

Пейсахович Ю. А.

Ведущее предприятие - Комитет по виноградарству и алкогольной промышленности Краснодарского края

Защита состоится 30 декабря 1998 года в 14 часов на заседании диссертационного Совета К 120.23.02 Кубанского ордена Трудового Красного Знамени государственного аграрного университета по адресу: Краснодар, ул. Калинина, 13, Кубанский ордена Трудового Красного Знамени государственный аграрный университет, диссертационный Совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 27 ноября 1998 года.

Учёный секретарь диссертационного совета,

профессор

Прощак В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Принятой в хозяйствах обработкой тачвы в междурядьях культиваторами .КСГ-5, ПРВН-72000, 1РВК-3, МПВ-1 до июля идёт целенаправленное' иссушение -¡ижележащего горизонта в колее и 'из смежных почвенных массивов. При этом постоянно создаются тяжёлые условия перекатывания почвообрабатывающих агрегатов, что ведёт к увеличению энергоёмкости проводимых операций.

Учитывая, что тенденция развития механизированных технологий многолетних древесных насаждений идёт по пути уменьшения ширины междурядий, рассмотренный механизм антропогенного утяжеления почвы будет' усугубляться, так как на той же площади количество проходов ходовых систем агрегатов увеличивается: Из-за узости междурядий колёса и гусеницы агрегатов практически всегда идут по одному следу, образуя колею.

Таким образом, можно сделать вывод, что обрабатывая почву с помощью машин, добиваясь соответствия требованиям агротехники на операциях, человек своей хозяйственной деятельностью постепенно ухудшает её общее состояние.

Гипотетически можно предположить, что отказавшись от рыхления почвы в колее, можно значительно снизить тяговое- сопротивление почвообрабатывающих машин, а также затраты энергии на перекатывание по междурядьям всех агрегатов, участвующих в технологии.

В подтверждение выдвинутой гипотезы на защиту выносятся следующие новые научно - практические результаты.

1. Механизм влияния антропогенных факторов на утяжеление почвы в многолетних насаждениях Краснодарского края.

2. Аналитические зависимости движения почвы, отделяемой лапой культиватора и движущейся по заданной траектории.

3. Анализ действия сил на элемент почвы при'перемещении его по параболической траектории.

4. Рекомендации по изменению конструкции культиватора "для обработки междурядий многолетних насаждений . ; - - . ^

Цель работы заключается в изучении механизмов уплотнения почвы в междурядьях многолетних культур, параметров рабочих органов для их обработки, изыскании рационального технологического процесса ' содержания постоянно накатываемой колеи и создании на этой основе агрегата с улучшенными технико-экономическими характеристиками ' и показателями. .

Объект исследования - механизм утяжеления почвы под воздействием антропогенных факторов и цепной шлейф культива-. тора для восстановления её оптимального состояния.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе были использованы методы математического моделирования, 'регрессионного ,анализа полученных аналитических • закономерностей, исследована полученная математическая модель изучаемого процесса■с целью выявления оптимальных геометрических и энергетических параметров агрегата. При проведении технико - экономической оценки использовались методы электрических измерений неэлектрических величин и статистической обработки полученных результатов. Использовалась современная вычислительная техника.

Научная новизна заключается в:, - выявлении антропогенных факторов уплотнения почвы в междурядьях многолетних насаждений;

- обосновании способов и орудий борьбы с этим явлением;

- разработке пространственной математической модели исследуемого процесса с- учётом всех действующих силовых факторов;

- получении новых данных о траектории цепного шлейфа и его оптимальных параметрах.

Практическая ценность. Разработаны рекомендации по выбору и~ обоснованию оптимальных параметров рабочих органов агрегата-для обработки почвы'в междурядьях." Полученные результаты расширяют возможности существующих методов борьбы с уплотнением и утяжелением почвы-в колее.

Использованные методы математического моделирования позволили получить новые данные об особенностях взаимодействия цепного шлейфа с почвой.

Использование вычислительного эксперимента позволило заменить часть дорогостоящих.натурных испытаний расчётами на персональном компьютере и за счёт этого снизить затраты и сократить сроки работ.

Реализация результатов исследования. Производственные испытания рабочего органа проводились в совхозе «Авангард», •Крыловского района, колледже «Ейский» и ОПХ «Централь- . ное» СКЗНШСиВ. Ислытывались различные варианты активных и пассивных цепных шлейфов, которые устанавливались на культиваторы 2ПРВН-2,5-; КСГ-5 и фрезы ФА-0,76.

В результате проведенных испытаний агрегаты с цепными шлейфами для мульчирования колей почвой, сдвигаемой с межколейного пространства междурядий, в том числе и из приствольной полосы, в течение вегетационных периодов 1994...1996 годов показали хорошие результаты внедрены на втором и третьем отделениях ОПХ «Центральное» СКЗНШСиВ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: научно-технической конференции «Природно-ресурсный и экономический потенциал горных и предгорных районов России ' и принципы создания «устойчивых» агроландшафтов», г. Владикавказ, .1996 г., научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в 'инженерно-технической сфере АПК России», ВИМ, Москва, 1997г. и заседаниях учёного совета Северо -'Кавказского* зонального научно-исследовательского института садоводства и виноградарства 1996...1998 годов.

Структура и объём работы. Диссертация ^изложена на 134 страницах печатного текста, состоит из введения, пяти раздёлов, общих выводов, рекомендаций производству, списка использованной литературы на 14 страницах, 'содержащем 119 источников, из них 17 иностранных., приложения на 15 страницах с документом о внедрении. В диссертации'28 рисунков и' 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ В последнее время в .нашей стране и за рубежом обострилось внимание к проблеме воздействия движителей на почву и-эффективным направлениям её решения.-

В работе обосновывается выбор направления исследова-, ния, его актуальность и выносимые на'защиту новые научно - практические результаты. Рассмотрены состояние вопроса и задачи исследований, доказывающие перспективность выработки подходов, сохраняющих почву многолетних насаждений на основе познания механизма «работы» почвы- общего земледелия, который выступает в роли «целого», как ~ана-

ч

лог «частному» механизму работы почвы в зауженных междурядьях.

С этой целью проанализированы работы учёных СНГ и дальнего зарубежья, в том числе В.Р. Вильямса, Д.Г. Ви-ленского, К.К. Жученкова, Н.Б. Ревута, В.А. Скотникова, Г.Н. Синеокова, И.И. Трепененкова, Cill W.R., Tamura S., Оао Т. & Jamada. Просматривается общая закономерность механического перевода почвы из одного состояния в другое через её деформацию. Одним из основных критериев оценки этого перевода является достигаемая плотность почвы, соответствующая максимальной урожайности в данной агроклиматической зоне. При уплотнении резко возрастает твёрдость и глыбистость, растут энергозатраты на обработку. Влажность при этом является лимитирующим фактором. Физическое объяснение явлению уплотнению почв в зависимости от влажности и влияния механических воздействий даётся на общее земледелие с позиции И.Б. Ревута, а для многолетних насаждений - с позиций С.Ф. Неговелова и В. А. Бондарева (СКЗНИИСиВ), которые в конечном итоге сводятся к тому, что измельчение почвы обусловливает её способность к агрегатообразованию.

Поэтому изменение плотности почвы во время потери влаги можно квалифицировать как процесс становления пласта до появления эффекта «каркаса», который зависит от природных и антропогенных деформаторов.

В результате пахотный горизонт в междурядьях приобретает полосный характер распределения плотности с двумя видами наклёпа - в колее от прохода движителей и вне колеи - от прохода лезвий рабочих органов. С уплотнением колеи рационально бороться притенением, используя её в дальнейшем как технологическую, а плужную подошву разрушать в процессе обработки междурядий.

Изложенное выше позволяет поставить следующие научные задачи:

1. Изыскать рациональный способ ухода за почвой колейного пространства в зауженных междурядьях многолетних древесных насаждений.

2* Выявить тип рационального рабочего органа для осуществления ухода * за почвой колейного пространства;

3. Теоретически определить и исследовать оптимальные параметры рабочего органа для ухода- за почвой колейного пространства.

4. Определить технико-экономические показатели предлагаемого рабочего органа по конструктивной привязке к существующим рабочим органам культиваторов КСГ-5,' ПРВН-2,5, МПВ-1.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Программой теоретических исследований предусматрива-. лось: 1

- изыскать рациональный технологический процесс? содержания постоянно накатываемой колеи и тип рабочего органа' для её обработки;

- изучить механизмы уплотнения почвы в колее междурядий;

- провести теоретические исследования рабочих органов агрегата для содержания колеи.

Механизм утяжеления почв в многолетних насаждениях показан на схеме перекатывания колеса В.П.Горячкина (рис. 2.1), куда добавлено уплотнение затупленными лез-

виями лемехов рабочих органов, так как при допущении, что Г —> оо , деформаторы идентичны.

Коэффициент объемного смятия является коэффициентом пропорциональности.

(2.1)

На рисунке 2.1 комплекс антропогенного воздействия: деформатор радиусом Г по и АО1 С отображает движители, а по линии О1 А - затылочную часть лезвия рабочего органа с отрицательным углом.резания. • Оба они осуществляют усадку толщи почвы Ь , делая "наклёп" по О1 X. При почвообработ-ке надо стремиться, чтобы "наклёп" отсутствовал или был в пределах экологической безопасности почвы.

Модель системы деформатор -среда

I у Рис. 2.1 Состав-

ляющие модели: Р - движущая сила; N - нормальное сопротивление среды; в - нагрузка на деформатор; Л толщина слоя; /3-угол ' отклонения N от вертикали. р~ максимальное значение давления почвы в точке О1 .

Представим почву в виде однообразных кубических элементов. Элемент 2 нагрузим (рис. 2.2) вертикальной силой. В результате последний, сжимаясь в вертикальном направлении, будет растягиваться в горизонтальном.

\с ¡А \\\ ■5! \\\

сИ V , / г X

Рис. 2.2. Модель почвенного агрегата Растягивающие силы сожмут в горизонтальном направлении элементы 1 и 3, от чего последние растянутся "в вертикальном (т.е. Судут выпучиваться), так как этот механизм проходит при становления пласта, с потерей влаги.

В расчётной схеме рабочего органа (рис. 2.3) приняли, что тяговое сопротивление равномерно распределено по длине цепи, закреплённой своими концами в геодинамической тени культиваторных лап, а линия натяжения цепи предположительно является цепной.

Рис 2.3. Схема расположения цепного рабочего органа

Уравнения движения пласта в проекциях на оси X:

,Н2х п Ну РвЬ—г^ ~, у (2.2)

Л2 ах

и Г

раЬ^-%- = -Рх{со5уъту)С^-. (2.3)

<Л ах

у - угол наклона касательной из точки вершины траектории О,

Рх - движущая сила, приложенная к горизонтальной проекции центра масс пласта на дугу траектории,

Ру - касательная сила, перемещающая пласт почвы по траектории,

Рп - нормальная составляющая движущей силы, перемещающая пласт через отрезок цепи, задающий траекторию его движения, а - глубина обработки почвы, , Ъ - половина ширины захвата культиваторной лапы. Ускорение движения по траектории £:

Л2

+

'¿У

к*1 ;

(2.4)

. Движение пласта почвы, увлекаемого цепью в горизонтальной плоскости, описывает гармонический колебательный процесс. Но колебания пласта почвы складываются из вынужденных под воздействием движущей силы и свободных колебаний* самого пласта:

У = У(х) + 1¥( х)] (2.5)

где У{х) - вынужденные колебания,

^(х) - свободные колебания. Для определения закона изменения вынужденных.колебаний рассмотрели траекторию 5 движения пласта .почвы, ув-

г

лекаемого цепью:_

' Г^с-С/ , Р.-в/ 2 ^ х-\^-~УФ=^~У+С1У+С2; . (2.6)

причём кривая натяжения будет не цепной линией, а параболой, для которой: 1 •

- , I _ X .

• * = /(х)=\-у11 + у'г<1х = 1у11 + 4х2с1х. - (2.7)

\ 0 0 -Поскольку выражение *(2.7) описывает траекторию параболы от её вершины до текущей точки х, время для прохождения обеих .ветвей / — 2х, в результате окончательно ' 2х _ I __

/(х)= |л/1 + = (2.8)

О о

Интеграл данной функции берётся следующим образом:

/(х)= = + ^ + +С, (2.9)

для времени перемещения, или для линейного перемещения агрегата: '*..._

/(х) = |>/1+4:х?А= +4х2 + 1п(г*+у/1+ 4х21+ С. (2.10)

Частное решение уравнения (2.6)' для заданных функций /(х) выполнили методом Фурье. Умножим коэффициенты выражения , (2.6) на втях// и проинтегрируем от 0 до /:

Р..[.2аплг . юс , >(*,<) И —Ьш* —-вт—(Ы + / [МЛ 0 / /

-ь А ) ^л/Г^^" -ь -ь ^, (2.11)

Выражение (2.11) представляет собой математическую модель движения пласта почвы по параболической траектории в плоскости ХОУ , образованной цепью, объединяющую между собой как параметры самого агрегата, так и параметры обрабатываемой почвы.

Результирующей силой Ра (рис. 2.4), после построения силового треугольника, будет:

Рхг=Рх+{Рг-и). (2.12)

Ра заставляет движущийся по траектории пласт переваливать через цепь. При Р2, превышающей силу тяжести, цепь «всплывает», идёт по поверхности. В скалярной форме выражение (2.12) можно записать так:

P„=PX cos

Рл arctan—

(2.13)

На перевал пласта решающее влияние оказывает вертикальная составляющая сил сопротивления, зависящая от твёрдости обрабатываемой почвы, которая по данным Васи-линйна B.C. колеблется в пределах 15...25 % от Рх.

Вектор результирующей сил сопротивления, таким образом, состоит из следующих составляющих:

F = [Fr+F„)+Py+7z; (2.14)

Если рассматривать двумерную модель процесса, то возможны три случая:

Fy=f(Px,Py\ (2.15)

Fr=f(Px,Pz), ($.16)

Fr=f(Py,Pz\ (2.17)

Для трёхмерной модели процесса прецессия главного вектора будет происходить уже в объёме куба:

Frxyl*dV=Ap*>py>p.«)' <2Л8)

т.е. касательная сила будет пропорциональна объёму тела, образованного движением главного вектора сил со-

противления Р из точки О по образующим его длины и поверхностью, состоящей из геометрического места точек его вершины. Проинтегрировав (2.18), будем иметь: .

<р(рг)^=\\[/(рх,ру,рг]±ф(ь. (2.19)

в продольно - вертикальной плоскости Выражение (2.19)- является полной пространственной математической моделью исследуемого процесса с учётом всех действующих силовых факторов.

При исследовании изменения процесса во времени составим релятивную полную пространственную математическую модель:

¥^) = \\\\/(Рх,Ру,Рг,1)сЫусксИ . (2.20)

Теоретические исследования доказали, что пласт почвы, отделяемый лапой культиватора и движущийся при этом по линии, образованной отрезком цепи, соединяющей грядили соседних рабочих органов таким образом, чтобы перемещаемая почва засыпала уплотнённые участки междурядий, движется по параболической траектории.

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Программой экспериментов предполагалось:

*

1.Изучить в полевых условиях структуру почв виноградников в зависимости от:

а) - формировка кустов; 1

б) глубины залегания почвенного горизонта;

в) местоположения в ряду и междурядьи; .

г) влияния механических воздействий;

д) влияния природных факторов.

2. Создать.математическую модель процесса обработки междурядий культиватором, оборудованным' цепным рабочим органом -И провести с ней вычислительные эксперименты, с целью получения оптимальных параметров цепных шлейфов.

3. Исследовать- характер перемещения почвенного слоя цепными шлейфами в полевых условиях.

Изучению подвергалась почва в ряду и поперек междурядья виноградников сорта Алиготе, культивируемых на разных шпалерах. Системы' ведения кустов были идентичны. Изучалась динамика твердости й влажности почвы во время вегетации' на глубину до 0,39 м, т.е. в 2 раза большую, чем вспахивается, и на 1/3 большую, чем чизелюется.

Поперек междурядий были отобраны образцы, с ненарушенным сложением в следующем порядке:

- в ряду между кустами;

- по колее трактора;

- в центре междурядья;

- по второй колее трактора;

- в следующем ряду.

Образцы брались на трех вариантах шпалер - обычной вертикально-плоскостной; подвесной; У-образной.

По каждой шпалере заложен профиль из пяти скважин, пересекающих междурядье в следующем порядке:

- в ряду -2,

- по колее трактора - 2,

- в центре междурядья - 1.

Результаты ■ экспериментов были подвергнуты - математической обработке. Полученный материал при измерении позволяет вычислить три объемных веса (С.Ф.Неговелов, М.К.Кошелев, 1958; С.Ф. С.Ф.Неговелов, 1971), а именно:

1) общепринятая объемная масса, рассчитанная на объем вырезанного в поле образца;

2) объемная масса на условно сухой объем;

3) объемная масса сухого образца.

Подтверждение данным объемной массы получили в . структурном анализе тех же образцов. Пенальные образцы после взвешивания укладывались в пакеты и бросались с высоты 1 м 5 раз (первая дезинтеграция), после чего проводился ситовый анализ.

Грубые фракции (^7мм) подвергались второй, более интенсивной' дезинтеграции.

Методика позволила качественно показать, - что в колее почва уплотняется и ее структура разрушается.

Образцы отбирались буром и по методике С.Ф. Негове-лова.

Плотность почвы определялась перед каждым опытом.

Твердость и влажность определялась в б сечениях, взятых по диагоналям на глубину 0,3 м общепринятым методом. В каждом сечении твёрдость определялась по сетке

через все междурядье, с интервалами 0,1 м • вдоль ряда и через 0,25 м в поперечном сечении, начиная от оси ряда, а влажность" только в поперечном сечении с теми же интервалами .

Твердость почвы определялась самопишущим прибором .конструкции Ю.Ю.Ревякина перед каждым опытом в'двух местах с трехкратной повторностыо.

Определение влажности производилось весовым методом по ГОСТ 2911—80 «Плуги общего назначения. Методы полевых испытаний».

Для определения объёмной массы почвы использовались почвенные "стаканы (кольца) диаметром 100 мм. Пробы брались в- тех же местах, где и пробы на влажность.

Микрорельеф.определяли профилированием методами координатной рейки или фотограмметрии.

Результаты после .предварительной отбраковки подвергались обработке методами вариационной статистики.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

В слое 0...0,"39 м на виноградниках в крнце вегетационного периода встречались три типа распределения плот-^ ности почв (рис., 4.1): , -

1) равномерное по всей толщине слоя в ряду;

2) более плотное сверху в колее трактора;

3) более плотное внизу в центре междурядья «плужная подошва». ' ,

Установлено, что влияние прохода рабочих.органов машин и их движителей проявляется не на стационарном,, а на изменяющемся во времени фоне. ..

Твёрдость, ЫПа

Рис. 4.1. Изолинии твёрдости почвы в междурядьях виноградников

Эта .способность может быть приобретается почвой, за счет воздействия на нее двух факторов:

1) природного, вызванного диффузией влаги в системе "почва-атмосфера-почва", (внутренний дефор-

.матор); ... •

2) антропогенного, вызванного воздействием средств ухода (внешний деформатор).

С позиции физики приобретение почвой несущей способности в междурядьях многолетних культур не стационарно из-за природного фактора - влажности.

Абсолютная величина наращивания 1 твердости почвы в междурядьях многолетних культур варьирует по годам, но ее относительные показатели между полосами (в ряду, .колее и между колеей) стабильны.

В колее она не может быть восстановлена' глубокой об-

\

работкой. Её не надо обрабатывать во время вегетационного периода, а снизить испарение влаги, прикрыв колею мульчей. Вне колеи подошва не приводит к глубокому разрушению. структуры, поэтому её вредное действие может быть ликвидировано внутрипочвенным бороздованием.

С целью снижения антропогенного фактора утяжеления почвы в многолетних насаждениях, для мульчирования колеи к имеющимся культиваторам разработаны цепные шлейфы к стрельчатым рабочим органам.

Выявленныё закономерности антропогенного утяжеления выщелоченных черноземов в многолетних насаждениях Краснодарского края присущи и другим видам почв.

Вычислительный математический эксперимент проводили, решая уравнение (2.11) методом Ньютона - Котеса. Численное интегрирование 'выполняли модифицированным способом Ньютона - Котеса по методу Уэддля. В результате:

If(x)dx = ^y0 +у2 +6у3 +5* (4.1)

Для проведения вычислительного математического эксперимента на языке Turbo Pascal была разработана программа. Её алгоритм подразумевает циклическое вычисление траектории при заданном шаге изменения переменных.

Траектории движения пласта при различных длинах цепи показаны на рис. 4.2.

Исследования проводились для длины цепи от 0,6 до 2,0 м с шагом 0,1 м. На графиках траекторий можно заметить, что в начале движения по траектории пласт подвергается упругому сжатию и сдвигу в пределах 0,005...О,01 м, затем происходит движение по траектории и сход с неё. Видно, что диапазон приемлемых значений длины траектории

лежит -в диапазоне 0,4 — 0,7 м, что, соответственно, составляет длину цепи 0,8...1,4 м.

5 т-

У. си

1 2 3 4 5 6 7 в

-10-

-15

-20

О Ю

"п-г—

30

50

70

90

1, СМ

Рис. 4.2. Семейство траекторий движения пласта Для оптимальной длины траектории провели исследования влияния глубины обработки на перенос почзы по траектории (рис. 4.3).

У, см, 10 0 -10 -201

-30

А

- •. *■ г-—г;,-:

10

20

30

40

50

Iе I

60 10

1, си

Рис. 4.3. Перенос почвы по траектории в зависимости от глубины её, обработки

Зафиксировав длину траектории 0,7 м, в блок вычисления траектории подавались изменения глубины обработки в диапазоне 0,02...0,12 м с шагом 0,01 м.

На рис. 4.3 видно, что с увеличением глубины хода цепи уменьшался перенос почвы по траектории с 0,25 до 0,1 м, при- начале схода пласта на длине траектории 0,5 м. ...

Результаты математического моделирования в табл.4.1.

Таблица 4.1. Результаты математического моделирования

№ п/п Наименование параметра • Обозначение Единица изм. Пределы изменения Мо-п. Мах.

1 Длина цепи / м 0,8 • 1,4

2 Угол наклона касательной У град . 24 26

3 Глубина 1 обработки а м 0,02' 0,12 '

4 . Амплитуда свободных колебаний пласта - _мкм - 8 5

5 Перенос почвк м - 0,17 ,0,1

6 Изменение переноса почвы - по глубине - м 0,25 0,1

В проведенных полевых экспериментах наилучшие результаты по укрывке колеи получены там, где длина цепи колебалась в пределах 1,4 ... 2 расстояния между точками крепления в пределах двойного перемещения слоя поперёк колеи, то есть для рассматриваемого случая

0,654 х 1,4 ... 2 = 0,9 ... 1,3 м, что хорошо согласуются с рекомендациями вычислительного эксперимента.

5. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СЕРИЙНОГО И ОПЫТНОГО АГРЕГАТОВ

Экономический эффект от применения предложенной механизированной технологии определён по разнице прямых эксплуатационных затрат на единицу работы между новой и базовой технологиями.

Тяговое сопротивление уменьшилось на 11%, производительность увеличилась на 7,3%, удельные эксплуатационные затраты уменьшились на 9,3%. Годовой экономический эффект от использования машины составил 137,021 руб. (В ценах 1989 года).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1 Способы возделывания многолетних древесных культур влияют на дренированность почвы междурядий в результате однообразия антропогенных воздействий на неё в течении всей жизни насаждений.

2. Несущая Способность пахотного горизонта междурядий приобретается за счет воздействия двух. дефор-^а'торов: природного, вызванного диффузией влаги в системе' "почва - атмосфера - почва" и антропогенного, вызванного воздействием средств ухода.

3. Абсолютная величина наращивания твёрдости почвы в междурядьях по годам, варьирует в сильной степени, но её относительные показатели между полосами (в ряду, колее и между колеей) стабильны.

4. Пахотный горизонт междурядий, имеет два типа наклёпа - в колее от прохода движителей и между колеей - от прохода лезвий рабочих органов.

5. Снижение антропогенного фактора утяжеления почвы осуществлять в колее мульчированием, а между колеей - двухслойной обработкой. Чтобы избежать лишне-

го прохода по междурядью, процесс разрушения подошвы следует совместить с последней летней культивацией. Для этого рекомендуется переоборудовать культиваторы КСГ-5 или ПРВН--2,5, установив на рамах вслед за стрельчатыми лапами . глубже на 0,10...0,12 м рыхлящие. Расстояние между рыхлящими лапами 0,5...0,7 м.

6. Перемещение почвы на .колею осуществлять цепным шлейфом, закреплённым на стойках рабочих органов культиватора. Оптимальная- длина .шлейфа 0,8...1,4 м.

7. Следует учитывать, что с увеличением глубины хода цепного рабочего органа происходит уменьшение переноса почвы в поперечно - горизонтальной плоскости, однако с уменьшением глубины хода уменьшается и масса переносимого пласта.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Possibilities for power expenditure reduction in mechanzed technologies of perrennial crops production. Cycenty ara, 1998, 2 p. (Ливан).

2. К формированию механизированных технологий оптимального содержания почвы в многолетних древесных насаждениях. СКЗНИИСиВ, Краснодар, 1998, 17 с. Деп. во ВНИИ ТЭИ агропрома...

3. Резервы снижения энергозатрат в механизированных технологиях многолетних культур. УДК 631.345.3. И~.л. № 306-98. Краснодарский центр научно-технической информации, 1998.

СЕВЕРО - КАВКАЗСКИЙ ЗОНАЛЬНЫЙ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ САДОВОДСТВА И ВИНОГРАДАРСТВА

На правах рукописи УДК 631.312.021:634.15

Шехаде Мохамед Сайд

МЕХАНИКО- ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБРАБОТКИ КОЛЕИ Б ЗАУЖЕННЫХ МЕЖДУРЯДЬЯХ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук

Бондарев В.А., кандидат технических наук Василинин B.C.

Краснодар, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8

1.1. Выбор предмета познания 8

1.2. Основные рычаги управления почвенным механизмом в растениеводстве на

современном этапе культуры земледелия 11

1.3. Сопротивление грунтов деформированию

под катящимся колесом 21

1.4. Состояние почвенных условий на виноградниках 24

1.5. Научные задачи исследования 35

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЦИОНАЛЬНОЙ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ СОДЕРЖАНИЯ КОЛЕИ В МЕЖДУРЯДЬЯХ МНОГОЛЕТНИХ НАСАЖДЕНИЙ 36

2.1. Программа теоретических исследований 36

2.2. Изыскание рационального технологического процесса содержания постоянно накатываемой

колеи и типа рабочего органа для её обработки 36

2.3. Механизмы уплотнения почвы 38

2.4. Программа и методика теоретических исследований агрегата для обработки междурядий виноградников 43

2.5. Составление математической модели пласта, движущегося по заданной траектории 47

2.6. Анализ действия сил на элемент почвы при перемещении его в пространстве по параболической траектории 58

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 65

3.1. Программа экспериментальных исследований 65

3.2. Методика исследования структуры почв виноградников 66

3.3. Программа и методика проведения

вычислительных экспериментов 79

3.4. Методика исследования перемещения почвенного слоя 79

3.5. Методика обработки результатов экспериментов 80

3.6. Методика статистической обработки

вариационных рядов 80

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ ~ 82 4,1. Антропогенные факторы утяжеления почвы в

многолетних насаждениях Краснодарского края 82

4.2. Проведение вычислительного эксперимента 96

4.3. Выводы по результатам математического моделирования 105

4.4. Эксперименты по перемещению

почвенного слоя цепными шлейфами 106

4.5. Выводы по результатам экспериментальных исследований 109

5. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРИМЕНЕНИЯ ЦЕПНОГО ШЛЕЙФА ПРИ УХОДЕ ЗА КОЛЕЯМИ В МЕЖДУРЯДЬЯХ

МНОГОЛЕТНИХ НАСАЖДЕНИЙ 110

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 119

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ 120

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 122

ПРИЛОЖЕНИЯ 135

ВВЕДЕНИЕ

Обработка почвы на виноградниках предусматривает поддержание оптимальных аэрационных процессов для корневой системы кустов, помощь в конкуренции с сорной растительностью и снижение диффузии накопленной почвой влаги в атмосферу и, наоборот, ускорение её, если влага переходит из атмосферы в почву.

Развитием агротехники в основном удалось в равной степени отработать все эти направления. Однако по мере решения этих вопросов в междурядьях многолетних культур обнаружилось утяжеление почвы, которое всецело связано с проходом по междурядьям всё более тяжёлых машин.

Почвообрабатывающие машины привнесли плужную подошву. Машины по уходу за кустом, шпалерой, борьбе с вредителями, болезнями и уборке урожая накатали колею, что со временем привело к структурному полосному состоянию пахотного горизонта.

От частых проходов машин со временем деформируется рельеф междурядья - в ряду поднимается, а в междурядье опускается.

Все эти составляющие утяжеления почвы на виноградниках в конце концов делают технику малоэффективной и по прочности недостаточной.

Анализ эксплуатационной надёжности почвообрабатывающих машин в неукрывной зоне Краснодарского края за последние двадцать лет показал,^что снизившиеся было объёмы ухода за почвой с пятидесяти до восемнадцати гектар на одну машину в последнее десятилетие резко возросли, причем рост продолжается.

Снизившаяся было в то же время ротация машин с семи до четырёх лет также стремительно растёт * Быстрая смена выпуска универсальных машин ПУН-1,7, ПРВН-2,5, ПРВМ-3, МПВ-1 не дала желаемых результатов. Пришлось отказаться от универсальных и перейти на выпуск машин для поверхностной обработки отдельно от машин для вспашки, что привело к росту материалоёмкости технологий и, естественно, к удорожанию продукта.

Развал СССР нарушил чётко отработанный механизм машинизации культур, что привело к сокращению, а зачастую и полному прекращению выпуска необходимых машин и механизмов. Потребовалась как разработка новых машин, так и создание производственных мощностей для их выпуска.

Целью настоящей работы является определение механизма утяжеления почвы в междурядьях виноградников, изыскание и исследование рабочих органов для борьбы с этим пороком, снижение энерго и материальных затрат.

Гипотетически можно предположить что отказавшись от рыхления почвы в колее, можно значительно снизить тяговое сопротивление почвообрабатывающей машины, а также снизить затраты энергии на перекатывание по междурядьям всех агрегатов, участвующих в технологии.

Для подтверждения выдвинутой гипотезы на защиту выносятся следующие новые научно - практические результаты.

1. Механизм влияния антропогенных факторов утяжеления почвы в многолетних^насаждениях Краснодарского края.

2. Аналитические зависимости движения почвы, отделяемой лапой культиватора и движущейся по заданной траектории.

3. Анализ действия сил на элемент почвы при перемещении его по параболической траектории.

4. Рекомендации по изменению конструкции культиватора для обработки междурядий многолетних насаждений.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Выбор предмета познания

Согласно методике подбора массива информации [31] в схематических моделях технологий производства сельскохозяйственного продукта почва является составной частью "среды", которая, исполняя функции поставщика "растению" необходимых средств к "существованию" постоянно меняет свои внутренние параметры путем траты накопленного потенциала (рис.1.1. а, б).

Технология получения продукта

Рис.1.1.а. Модель экстенсивного производства

Среда ---

{почва, атмосфера Растение -9* ---♦ Продукт

и ®-Д.) ---■>

_____[__________! _ Сигнал бедствия |

[ _ _ Банк_подпитывания_____________1

Рис.1.1.б. Модель интенсивного производства Вторая модель (рис.1.1.б) технологии получения продукта предусматривает необходимость знания механизмов утраты почвой накопленного потенциала и восстановления этого потенциала, чтобы можно-было выработать такой технологический подход к почве, как среде обитания растения, который позволил бы постоянно держать её потенциал в первоначальных параметрах.

Под "постоянством" следует понимать выходы завершенных циклов технологии {годовой конечный результат), ибо, согласно "аксиомы бесконечности" [31] , только такие циклы могут быть минимальными элементами технологии. То есть, шагами множества X, которые могут оптимально

отображать технологический процесс интенсивного произ~ водства продукта.

Таким образом, процедура анализа работы механизма почвообрабатывающего модуля должна идти через познание как рычагов утраты почвой накопленного потенциала, так и его восстановления, с целью выработки подходов, сохраняющих почву в её использовании как среды обитания растения, ибо нет более дешевого способа, чем профилактика болезни [3].

Математически анализ этого механизма, как показано в "методике подбора массива информации", должен быть ограничен пределами "трехэлементного дерева, как изоморфной части "полного бинарного дерева" [42], т.е. годичным циклом технологии получения продукта интенсивным производством (рис.1.2).

Изображение участия почвы в технологии получения продукта растениеводства интенсивным путем

13

2

Я(хГ2х+2

Рис.1.2. Схема прикрепления трехэлементных деревьев с «корнями» X = О, 2, б, 14 и т.д. В данном случае, согласно рис. 1.2, левый последователь элемента X, фигурирующий в равенстве

Цх) = 2х + 1 (1.1)

множества X должен учитывать снижение потенциала почвы, т.е. растрату первоначальных её свойств, а правый последователь X равенства

Ь(х) = 2х + 2 (1.2)

того же множества X должен показывать необходимый уровень восстановления растраченных почвой первоначальных свойств, чтобы обеспечить нормальное прикрепление «корня» последующей изомерной копии цикла к закончившемуся предыдущему, как это показано на рис. 1.2. Этот вывод соответствует аксиоме "бесконечности" [31] и принципу повторяемости [6].

Анализ механизма утраты накопленного почвой потенциала и установления наиболее выгодных рычагов воздействия на неё с целью восстановления утраченного будет объективным только в случае, если для информативного массива брать теоретически обоснованные и подтвержденные практикой данные.

Речь о восстановлении накопленного почвой потенциала должна вестись с позиций механики почв. Так как в законе «возврата» Ю. Либиха [51] этому вопросу не уделено внимания, то механизм утраты рассматривался с позиций общего земледелия.

Сравнивая технологические карты общего растениеводства и многолетних насаждений, в том числе для виноградарства, можно сделать вывод, что принятые в общем растениеводстве принципы ухода за почвой и средства производства, особенно рабочие органы, в основном используются и при обработке многолетников. В связи с этим они мо-

гут учитываться только как моменты целого и определяться специфическим содержанием целого.

Предметом познания в этом случае должен стать механизм работы почвы общего растениеводства, так как оно выступает здесь в роли "целого". Изучением наиболее отработанного механизма можно установить правильность по= ставленной задачи в частном, то есть использование почвы, как среды для культуры винограда сейчас и выработать гипотезу наиболее рационального её использования в будущем.

1.2. Основные рычаги управления почвенным механизмом в растениеводстве на современном этапе культуры земледелия

Формирование производства продукта в растениеводстве обычно начинается с учётом принципов возделывания и использования почвы различными посевами, поэтому до сих пор обработку почвы считают одним из главных звеньев в системе земледелия [53].

В настоящее время в понятие системы земледелия к ее обычным составляющим присовокуплена еще и "интенсивность использования земли, способы восстановления и повышения плодородия почвы" [27].

На необходимость учета всех особенностей земледелия при выборе системы обработки почвы указывалось учеными с давних пор [40, 56, 68, 86, 92, 102]. В результате установлено, что "говорить о каком-либо завершённом комплексе агротехнических приемов можно лишь применительно к

определенному времени, уровню развития техники и степени интенсивности ведения сельского хозяйства" [60, с*24]*

Доказано, что "непрерывное развитие в земледелии крайне важно для прогресса... Циклы улучшений проходят сейчас очень быстро, и неспособность устранять лимитирующие факторы и двигаться вперёд на каждом этапе развития может сделать ту или иную сельскохозяйственную систему невыгодной" [4 9].

Но, несмотря на высказанные предостережения в обращении с почвой, в число лимитирующих факторов развития земледелия в большинстве случаев включались только особенности климата, почв и организации, а отрицательному влиянию материально-технической базы, с помощью которой интенсифицируются связи системы машина-почва, в исследованиях обычно отводилось второстепенное место.

Очевидно, поэтому только в последние два-три десятилетия ученые агротехники стали усиленно говорить о мини-мализации обработки почвы [53] .

В СССР этот вопрос привлёк внимание в связи с освоением целинных земель, когда потребовалась срочная разработка системы почвозащитной обработки почвы [72]. Основой её стала минимализация числа технологических операций за счет их совмещения или отказа от некоторых приемов [3, 57, 64, 76].

Именно в этих работах, наряду с экономическими аспектами, прозвучало опасение относительно отрицательного влияния проходов тяжёлых агрегатов на "сложение подпахотных слоев", что водопропускная способность почвы в колее трактора на глубине хода культиваторных лап уменьшается в 1,5... 2 раза при увеличении плотности горизонта на четверть.

Там же отмечается, что в уплотненной почве резко снижается влагоемкость, а находящаяся часть воды в плотном пахотном слое используется растениями плохо.

О том, что одним из основных критериев оценки качества почвообработки является достигаемая плотность (объемный вес) почвы, соответствующая максимальной урожайности в данной агроклиматической зоне, говорится в работах [20, 41, 44, 45, 46, 78,]. Это подтверждают материалы [62], (рис. 1.3), характеризующие изменения урожая в зависимости от достигнутой обработкой плотности почвы.

Картофель йриекульакий

'i 6 -у...__ _«р.-—---«--Пиркка

i - ■-й»- Овёо

j сц j _j __- - Турнепс

Î ГТ _ _. 0____Кукуруэа

S\ ; \ V (вел .scaooa.)

/.* j \i \--

i t \ !

1,3 1 |U-ji !-^-

^ IM-V1! I Il 1; FTT'-^Nj-Np^V-

! ■ ; si 4L ! t ! i i «

, л t1 : ?;î ^ 1 > , i

r.O -1---i—i-i--

H ; :;! !! M i j i i i ! о i; И 8 ii II _Mil

249,6 273J j: 352,6 384,'О Ы/га

I ' _« ' >■__> • ._i,_»

• \70.0 i] 8Д8 86A ! j ! j j ц/га

¡; 363,5 368,6\ 383,6 !

H } ? l' )_Z !

K-9 21,8 ï ¡4-0,0 46,4 кГ/Юм?

_l_' _-Л-;,:.....r

63 О 1036 1227 1533г/сосу9

Рис. 1.3. Изменения урожайности в зависимости от достигаемой при обработке плотности почвы Yc

В то же время Diserens Etienne [107] не устанавливает тесной связи между нагрузкой на почву и урожаем. Уплотнение нижнего слоя почвы четко не зафиксировано. Отмечается, что на урожайность большее влияние оказывает

Картофель йриекульакий -у--__ _Л-—----•--Ячмеяь Пиркка i - ■-й»- Овёо j i -- - Турнепс

! I L | \ ...о.—кУкУРУва \ ; \ "'г, (isen.Kaoca) \ ! ч

i 1 1 4! \ ! Ni \ ! \ I

I u 1 ; « \ ! i i H ! \ \

l ! ! : ! I 11 V- --XlN \ > \ :...... •"-«* л

—и— »! { i v 1 «1 \i 'Д > J- j ( t о 11 M ; vi It. i i i :

( 1 j 1 i : i i ! 1 a i "S. 1 1 ; 1 ; 1 ; !; $ ! 1 ! >' !i! : i ; !

'249 11 6 273,1 j î : 352,é 384,0 i ц/si ...... ' .J..;. i ..............'.......,(,, '

севооборот, чем масса машины. Рассмотрены проблемы уплотнения почвы, связанные с массой машин.

Отмечаются негативные процессы в почвенном покрове Восточной Сибири [24].

В итальянской [104] и чешской публикациях сообщается, что одним из негативных результатов интенсификации сельскохозяйственного производства является нежелательное и чрезмерное уплотнение почвы. Оно стало всемирной проблемой при интенсивном использовании земельного фонда [109].

Переменный характер сопротивления почвогрунта движению рабочего органа в зоне уплотнения анализируется в [95]. Сделан вывод о том, что переменный характер сопротивления, оказываемый почвогрунтом на рабочий орган, является следствием молекулярно-механических процессов адгезионной теории скачков.

Признавая рациональность сокращения числа обработок, ученые призывают не отказываться от обработки почвы, а рекомендуют её совершенствовать[60] .

Таким образом, в растениеводстве разработчики систем почвообработки начали обращать внимание на изменение её агрофизических свойств побочным влиянием техники. Естественно, чтобы определить величину этого влияния, надо знать лимитирующий уровень факторов в ранговом перечне последних в земледелии.

Вопросу изменения плотности почвы посвящены работы многих ученых России, в том числе В.Р.Вильямса [18], В.А.Скотникова [82], И.И.Трепененкова [93].

Рассматривая удельное давление на почву движителей тракторов, они пришли к выводу, что в динамике удельное

давление гусеничного трактора в 2... 3 раза превышает статические показатели, поэтому уплотнение почвы от них не отличается от уплотнения колесными тракторами.

Этот факт говорит о том, что в системе деформатор-почва значительную роль играет динамическое воздействие деформатора на почву.

Это подтверждает и работа В.Х.Жижко [36] .

Д.Г.Виленский [16] уплотнение почв в первую очередь относят за счет механического воздействия на них.

В работе [59] также отмечается, что одновременно с оснащением сельскохозяйственного производства техникой возрастает отрицательное воздействие на плодородие почв так называемых факторов: один из них — уплотнение, ухудшающее условия жизнедеятельности почвенной микрофлоры из-за нарушения аэрации и температурного режима. Выделение почвой СО снижается в 1,2...1,5 раза. Порозность

3

почвы резко падает. При плотности 1,32 г/см остается пор размером 300 мкм всего 2...3% к объему, что приводит к нарушению водного режима. В уплотненной почве медленнее идут процессы гумифицирования органических остатков и затухает нитрификация. При достаточном азотном пита-

з

нии, но плотности почвы выше 1,35 г/см , растения имеют признаки азотного голодания, суточный прирост сухого вещества сокращается в 1,5...2,0 раза. При уплотнении ухудшаются и механические свойства почвы. Резко возрастает твердость и глыбистость, растут энергозатраты. Предлагается усилия научной и конструкторской мысли направить на создание машин с ме�