автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение влагосбережения почвы совершенствованием орудия для мелкой мульчирующей обработки

На правах рукописи

Добрынин Юрий Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ВЛАГОСБЕРЕЖЕНИЯ ПОЧВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ОРУДИЯ ДЛЯ МЕЛКОЙ МУЛЬЧИРУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 ЯНВ 2012

Пенза-2012

005009701

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА»)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Савельев Юрий Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ларюшин Николай Петрович

доктор технических наук, профессор Бойков Василий Михайлович

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА»

Защита состоится «17» февраля 2012 г. В 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 при ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» по адресу: 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30, ауд. 1246.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА».

Автореферат разослан 10 января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кухарев О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В Российской Федерации около 30% посевных площадей приходится на засушливые степные регионы, в которых выращивается почти половина всего производимого в стране зерна, а также 40% подсолнечника и 80% проса. Почвенно-климатические условия этих регионов имеют большой потенциал для получения высоких урожаев различных сельскохозяйственных культур, но постоянный недостаток почвенной влаги сдерживает увеличение объемов их производства.

Однако дефицит почвенной влаги обусловлен не только недостатком атмосферных осадков, но и неэффективным их сбережением. Установлено, что потери влаги на непродуктивное испарение достигают 40.. .70% выпадающих осадков.

Существующие способы по накоплению и сбережению почвенной влаги свидетельствуют о возможности улучшения влагообеспеченности почв засушливых регионов путем разработки более эффективных влагосберегающих почвообрабатывающих агроприемов. Одним из них является осенняя мелкая мульчирующая обработка, при которой создается разрыхленный верхний слой почвы с замульчированной поверхностью. Верхний слой почвы при рыхлении и мульчировании способствует накоплению и сохранению влаги не только в верхних, но и в более глубоких почвенных горизонтах.

Однако применяемые орудия для мелкой мульчирующей обработки не в полной мере обеспечивают качественные показатели верхнего влагосбере-гающего мульчирующего слоя.

Поэтому разработка комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки, направленной на повышение влагосбережения почвы, является актуальной научной и практически значимой задачей.

Данная работа выполнялась по плану НИОКР ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА» согласно научно-исследовательской теме «Разработка технологий и технических средств для разуплотнения почвы после проходов сельскохозяйственных тракторов и машин» (ГР № 01.200506416).

Цель исследований. Повышение влагосбережения почвы за счет совершенствования технологического процесса работы комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки.

Объект исследований. Технологический процесс осенней мелкой мульчирующей обработки почвы комбинированным орудием.

Предмет исследований. Запасы влаги в почве и интенсивность ее испарения, конструктивные и технологические параметры, а также энергетические показатели рабочих органов (батарей ножевых дисков, плоскорежущих лап с рыхлительными элементами лемехов, катка с штифтовыми элементами) комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы.

Методика исследований. Теоретические исследования комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки выполнялись с использованием основных положений, законов и методов классической механики, математики и статистики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторно-полевых и полевых условиях в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ, с общепринятыми и частными методиками, а также с использованием теории планирования многофакторных экспериментов. Обработка экспериментальных данных и расчеты выполнялись методами математической статистики на ПЭВМ с использованием стандартных программ «Mathcad» и «Microsoft Office Excel».

Научная новизна. Научную новизну работы составляют:

- технологический процесс осенней мелкой мульчирующей обработки почвы, конструктивно-технологическая схема и рабочие органы (батареи ножевых

дисков, плоскорежущие лапы с рыхлительными элементами лемехов, каток с штифтовыми элементами) комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы, обеспечивающих повышение влагосбережения;

- теоретическая зависимость по определению интенсивности испарения влаги от физических параметров, характеризующих состояние замульчированной почвы, а также теоретические зависимости тягового сопротивления батарей ножевых дисков, плоскорежущих лап с рыхлительными элементами лемехов и катка с штифтовыми элементами от их конструктивных и технологических параметров.

Новизна конструкции комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы и его рабочих органов подтверждена патентом РФ на изобретение № 2421961.

Практическая ценность работы. Результаты научных исследований послужили основой для разработки комбинированного орудия доя осенней мелкой мульчирующей (влагосберегающей) обработки почвы с обоснованием его рациональных конструктивных и технологических параметров. Использование предлагаемого экспериментального орудия при проведении осенней мелкой мульчирующей обработки позволило увеличить запасы продуктивной влаги на 12,8% (16,8 мм), что дало прибавку урожайности ярового ячменя «Волгарь» на 5,7% (1,2 ц/га) в сравнении с осенней мелкой плоскорезной обработкой орудием КПИР-3,6, а также снизило эксплуатационные затраты при проведении осенней обработки на 17,2%.

Реализация результатов исследований. Разработанное комбинированное орудие для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы прошло производственную проверку в ГНУ «Поволжский научно-исследовательский институт селекции и семеноводства им. П.Н. Константинова» Самарской области и рекомендовано актом хозяйственной комиссии к использовании^ Экспериментальный образец орудия экспонировался на «XIII Поволжской агропромышленной выставке», проходившей 10-12 июня 2011 г. на базе ФГЪУ «Поволжская зональная машиноиспытательная станция».

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА» (2008... 2011 гт.) и ФГБОУВПО «Пензенская ГСХА» (2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 5 статей опубликовано в изданиях, указанных в «Перечне ... ВАК», получен 1 патент на изобретение. Общий объем публикаций составляет 4,04 п.л., из них автору принадлежит 1,82 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 156 е., состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы из 140 наименований и приложения на 8 е., содержит 11 табл. и 73 рис. ^

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

-технологический процесс осенней мелкой мульчирующей обработки почвы, конструктивно-технологическая схема и новые рабочие органы (ножевой диск, плоскорежущая лапа с рыхлительными элементами лемехов, каток с штифтовыми элементами) экспериментального комбинированного орудия для ее реализации;

- теоретическое обоснование зависимости интенсивности испарения влаги от физических параметров, характеризующих состояние замульчированной почвы; конструктивных и технологических параметров, а также тягового сопротивления рабочих органов (батарей ножевых дисков, плоскорежущих лап с рыхлительными элементами лемехов, катка с штифтовыми элементами) комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы;

- величина интенсивности испарения влаги из замульчированной почвы, рациональные значения конструктивных и технологических параметров (угол атаки

ножевых дисков, количество ножей на диске, расстояние между дисками в батарее, углы крошения рыхлительных элементов лемехов, рабочая скорость, длина штифтов и сила давления катка на почву) рабочих органов комбинированного орудия дгш осенней мелкой мульчирующей обработки почвы и их энергетические показатели;

- числовые значения агротехнических показателей (качество крошения почвы, степень измельчения и заделки стерневых остатков), характеризующих качество работы комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы и полученный от его применения эффект влагосбережения (количество дополнительно накопленной влаги).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований и изложена общая характеристика работы.

В первом разделе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» проведен анализ исследований по влиянию способов обработки почвы на накопление и сбережение осадков послеуборочного периода. Выполнен обзор существующих способов осенней мелкой обработки почвы и соответствующих технических средств, обеспечивающих рыхление почвы и создающих условия для впитывания и сбережения влаги. Выявлено, что для накопления и сбережения влаги наиболее результативным способом осенней мелкой обработки является мелкая мульчирующая обработка, позволяющая в реальных условиях повысить эффективность процессов накопления и сбережения влаги за счет оптимальлого измельчения стерневых остатков и более высокого качества крошения обрабатываемого слоя почвы. При этом мульчирующий слой будет эффективно удерживать влагу, снижая ее потери на испарение. Для реализации осеней мелкой мульчирующей обработки почвы создано соответствующее комбинированное орудие. Научно-экспериментальной основой для его разработки послужили результаты теоретических и экспериментальных исследований В.П. Горячкина, Ф.Т. Моргуна, Н.К. Шикулы, В.А. Корчагина, В.П. Васильева, А.Н. Зеленина, Г.И. Казакова, Н.И. Кленина, И.А: Чуданова, А.И. Бараева, Б.А. Доспехова, Д.И. Бурова, И.П. Макарова, С.А. Наумова, А.И. Пупонина, H.A. Качинского, Г.Н. Высоцкого, JI.B. Орловой, М.М. Ломакина, Г.Н. Синеокова, А.П. Спирина, А.Ю. Измайлова, O.A. Сизова, A.C. Извекова, А. Н. Каштанова, В.В. Туровского, Б.М. Козырева, Н.П. Ларюшина, В.М. Бойкова и многих других ученых.

Технологический процесс мелкой мульчирующей обработки почвы, включающий измельчение стерневых остатков и перемешивание их с почвой, рыхление почвы, подповерхностное уплотнение и выравнивание, обеспечивающий повышение влагосбережения недостаточно изучен, поэтому необходимо проведение дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.

В соответствии с целью работы были сформулированы следующие задачи исследований:

1. Исследовать физико-механические свойства почвы в послеуборочный период и условия сбережения влаги после мелкой мульчирующей обработки, разработать комбинированное орудие для ее реализации и обосновать его конструктивно-технологическую схему.

2. Провести теоретические исследования зависимости интенсивности испарения влаги от физических параметров, характеризующих состояние замульчированной почвы; конструктивных и технологических параметров, а также энергетических показателей рабочих органов комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки.

3. Выполнить экспериментальные исследования по оценке влияния конструктивных и технологических параметров рабочих органов комбинированного орудия на их энергетические и качественные показатели, определяющие эффективность процесса влагосбережения при осенней мелкой мульчирующей обработке почвы.

4. Провести исследования экспериментального комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы в производственных условиях и определить экономическую эффективность его использования.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование технологического процесса мелкой мульчирующей обработки почвы, конструктивных и технологических параметров и энергетических показателей комбинированного орудия» проведены теоретические исследования процесса испарения влаги из замульчированной почвы, обоснован технологический процесс мелкой мульчирующей (влагосберегающей) обработки почвы и разработана конструктивно-технологическая схема орудия для его осуществления, выполнено теоретическое обоснование конструктивных и технологических параметров, а также энергетических показателей батареи ножевых дисков, плоскорежущей лапы с рыхлительны-ми элементами лемехов и катка с штифтовыми элементами, входящих в состав комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы.

Рисунок 1 - Комбинированное орудие для мелкой мульчирующей обработки почвы: а) схема орудия; б) орудие в агрегате с трактором МТЗ-82;1 - навесное устройство; 2 -рама; 3 - батареи ножевых дисков; 4 -механизмы регулировки глубины обработки и угла атаки ножевых дисков; 5 - опорно-регулировочные колеса; 6 - плоскорежуацие лапы с рыхлительными элементами лемехов; 7 - механизм догружения катка; 8-каток с штифтовыми элементами

Комбинированное почвообрабатывающее орудие (рисунок 1) содержит раму 2 с опорно-рег-улировочными колесами 5, навесное устройство 1, батареи ножевых дисков 3, установленные в два ряда, друг за другом с противоположными углами атаки на передней части рамы 2, механизмы регулирования 4 глубины обработки и угла атаки ножевых дисков, плоскорежущие лапы 6, установленные в шахматном порядке на задней части рамы 2 и имеющие рыхлительные элементы лемехов, каток 8 с установленными по его рабочей поверхности штифтовыми элементами и механизм догружения 7.

Технологический процесс работы комбинированного орудия (рисунок 2) осуществляется следующим образом. При проходе орудия по полю батареи ножевых дисков ножами выполняют резание со скольжением почвенных агрегатов и стерневых остатков косым двукратным знакопеременным воздействием, а также рыхление боковыми поверхностями ножей, образуя взрыхленный и замульчированный верхний слой почвы. Плоскорежущие лапы, установленные за батареями

ножевых дисков, подрезают слой почвы расположенный глубже - до заданной глубины мелкой обработки и эффективно рыхлят его за счет поочередно создающихся деформаций сжатия и растяжения рыхлительными элементами лемехов. Каток рабочей поверхностью и штифтовыми элементами дополнительно крошит комки почвы, заделывает в верхний слой стерневые остатки с одновременным его подповерхностным уплотнением и выравниванием.

Рисунок 2 - Технологический процесс мелкой мульчирующей (влагосберегающей) обработки почвы: 1 - работа первого ряда ножевых дисков; 2-работа второго ряда ножевых дисков; 3 - работа плоскорежущих лап с рыхлительными элементами лемехов; 4 - работа катка с штифтовыми элементами

В процессе суточных колебаний температуры воздуха, между почвой и воздухом происходит постоянный обмен влагой. Преимущественно в дневное время, при прогревании воздуха и верхнего слоя почвы, наблюдается процесс испарения влаги из почвы. Интенсивность испарения влаги прямо пропорциональна количеству энергии на испарение:

IV = 3,6 ■ 106--—-, мм/ч, (1)

А, ■ ■ л

где <2п - количество энергии, затрачиваемое на испарение влаги, Вт; Ьи - удельная теплота парообразования воды, Дж/кг; 5„- площадь поля, л/2; рв - плотность воды, кг/м3.

Количество затраченной энергии на испарение почвенной влаги равно изменению внутренней энергии почвы, т.е. процесс испарения идет за счет снижения внутренней тепловой энергии почвы:

<2и = АСГ„ = С, „ ■ тп ■ АТп, Вт, (2)

где Д(/„ - изменение внутренней тепловой энергии почвы, Вт; Свп -удельная теплоемкость влажной почвы, Дж/кг-К; тп - масса рассматриваемого объема почвы, кг; АТп - изменение температуры почвы, К/с.

с + Дж (3)

1 + и» кг-К

где Сс„ - удельная теплоемкость сухой почвы, Дж/кг-К\ С, - удельная теплоемкость воды,Дж/кг-К\ м - абсолютная влажность почвы.

В испарении влаги участвует верхний покрывающий слой почвы, толщину которого можно условно принять равной диаметру наиболее крупных почвенных агрегатов, тогда масса почвы определится:

т„=8я-с1и-рп,кг, (4)

где с1„- диаметр наиболее крупных почвенных агрегатов, м; р„ - плотность почвы, кг/м3.

За счет процесса испарения влаги поверхность почвы охлаждается, причем интенсивность испарения влаги, без учета климатических условий, равна:

К =3 6-10' .АГ.Ч-Л-^^-С,)^ к р. •()+№)

Охлаждение поверхности почвы компенсируется нагреванием за счет притока солнечной энергии, часть которой поглощается почвой, увеличивая ее внутреннюю энергию, другая ее часть отражается и излучается в пространство, а также теряется за счет турбулентного, теплообмена с приземными слоями воздуха.

Из закона сохранения энергии, зависимость (2) представится в виде уравнения теплового баланса мульчирующего слоя почвы:

+ £/_ = и„ - Й, - итр - и^, Вт/л?. (6)

где Д(/„„ - изменение тепловой энергии верхнего мульчирующего слоя почвы, Вт/л/; иш - теплопередача энергии в глубь почвы, Вт/м2; 11 ст - количество поступающей энергии в виде солнечной радиации, Вт'м\ Vотр - количество отраженной энергии в виде солнечной радиации, Вт/м2\ 1]тд - количество энергии, расходуемое на турбулентный теплообмен с приземным воздухом, Вт/л/.

и„„=к-АТ' ,Вт/л/, (7)

где к - коэффициент теплопередачи (теплообмена) верхнего мульчирующего слоя почвы с нижерасположенным слоем, Вт/м2-К; ДТ' - разность температур верхнего мульчирующего слоя почвы с нижерасположенным слоем, К.

исо,=^,Вт/м2, (8)

К „

т

где Еосв - освещенность поверхности почвы солнечной радиацией, лк; Кт - переводной множитель при переходе от единиц энергетических величин к единицам световых величин, лк л//Вт.

иотр=А„-исо„,Вт/л/, (9)

где Ап - альбедо почвы (доля отражаемой энергии).

&<юм> = ^«от.1' , Вт/м2, ^ (10)

где кт:1) - коэффициент турбулентной теплопроводности, Вт/м -К; АТв_„ - разница температур верхнего слоя почвы и приземного слоя воздуха, К.

Таким образом, уравнение теплового баланса (2) представится в виде следующей зависимости:

й = О )"§=--* ■ - к^ ■ АТ._„ - . ■ р. ■ ДГ„, Вт/м\ (11)

Кт 1 + н>

Подставив уравнение (11) в формулу (1) получим зависимость, моделирующую интенсивность испарения влаги в зависимости от физико-механических характеристик почвы и климатических условий:

Р С +и>-С (1 - А.)■ - * • Д Г - кт„ ■ Д Тм - --' Ч " Р. • АТ",

=3,6-106--Ь-—-,мм/ч. (12)

к'Р.

Из данного уравнения очевидно, что для снижения потерь влаги на испарение, необходимо повысить качество крошения почвы и создать защитный мульчирующий слой, позволяющий снизить ее температуру. Расчетные значения интенсивности испарения влаги на разных фонах в зависимости от влажности почвы и разности температур верхнего мульчирующего и нижерасположенного слоев почвы приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Расчетные значения интенсивности испарения влаги на разных фонах в зависимости от влажности почвы и разности температур верхнего _мульчирующего и нижерасположенного слоев почвы__

Показатели Ы II ь . < ДТ' = 2 К ДТ'=ЗК ДТ = 4 К ДТ' = 5 К

и',,, мм/ч После экспериментального орудия (А = 0,17; IV = 29%) 0,701 0,682 0,663 0,644 0,625

мм/ч После КПИР-3,6 (А = 0,14; и-=27%) 0,79В 0,779 0,760 0,741 0,722

На основании исследований Туровского В.В., тяговое сопротивление ножевого диска (рисунок 3), с учетом составляющих тягового сопротивления ножей на резание и сопротивления их боковой поверхности, определится зависимостью:

Я -V Л-М<рЛ+<р, + д-\)-А1р)-\ ( ) н

/.I -^А - 2А - бш^ + <р, + (/ -1) ■ Л«?) +1 где пжж - количество ножей на диске; X - кинематический параметр ножевого диска; <рл - центральный угол точки касания носка ножа с поверхностью почвы, град; <рх - угол поворота диска за время движения ножа в почве, град; д<р - угловой шаг расстановки ножей на диске, град; Рре1 - сопротивление резанию ножом почвы со стерневыми остатками, Н; Р^ - сопротивление почвы боковой поверхности ножа, Н.

Составляющая тягового сопротивления ножа на резание почвы со стерневыми остатками определится с учетом его геометрических параметров:

(И)

где 5- удельное сопротивление резанию, Па; /]И - рабочая длина лезвия ножа, м; ¡ла - толщина лезвия ножа, м.

Составляющая тягового сопротивления почвы боковой поверхности ножа с учетом его геометрических параметров определится зависимостью:

Рво, =k>* " V ' 'sin аап, , Д (15>

где ку,>, - удельное сопротивление почвы для i-ro ряда ножевых дисков, Н/м; hpd - глубина резания почвы ножевым диском, м; /„ - угол между режущей кромкой ножа и радиусом диска, град; аот - угол атаки дисковой батареи, град.

Тяговое сопротивление плоскорежущей лапы определяется суммой

тяговых сопротивлений ее рабочих элементов (рисунок 4):

рл=рд + 2-рм]+2-рм2+рст,н. (16)

где Р„ - сопротивление долота, Я; Р,п1 - сопротивление переднего клинового элемента, Я; Рм1 - сопротивление заднего клинового элемента, Я; Рс„ - сопротивление стойки, Я.

Тяговое сопротивление каждого элемента на основании исследований Г.Н. Синеокова определится суммой составляющих тягового сопротивления клина:

р, = р;" + р';еф + р;ес+р;н, н, (п)

где Р'" - сопротивление почвы на внедрение лезвия, Н; - сопротивление на деформацию почвы, Н; Р°ес - сопротивление от веса пласта, Н; Р"" - сопротивление от инерции пласта, Я.

р;"= б-Б'"-ъту^Н, (18)

где б - твердость почвы, Па; - площадь режущей кромки лезвия, м2; X,. - угол в плане для трехгранного клина, град.

Р?ф = т-К'*ф(а-,у,<р-(р')■Б*"1' , я, (19)

где т — величина предельных касательных напряжений, Па; - площадь деформируемого пласта, м2; К"еф - коэффициент учитывающий влияние углов крошения - а, в плане - у; внешнего трения - ф и внутреннего трения -<р' на сопротивление деформации пласта.

роес = р . уп,аста ^ ^ у) ^ д (20)

где р - плотность почвы, кг/м3; у""ас""" - объем поднимаемого пласта, м3; И"00 - коэффициент учитывающий влияние а, у, (р при подъеме пласта.

Р,"" = Р ■ -Г"''" ■ —■ Кт (а; у; <р, ф), Д (21)

8

где - площадь поднимаемого пласта, м~; о - скорость движения клина в почве, м/с; д - ускорение свободного падения; К"" - коэффициент учитывающий влияние а; у; ср; ср' на сопротивление от инерции пласта.

Долото лапы работает как двугранный клин, выполненный в виде трапеции (рисунок 5). Учитывая геометрические параметры долота и деформируемого им пласта почвы, составляющие его тягового сопротивления определятся следующими зависимостями:

/С—У

Г

Рисунок 6—Схемавзаимодействия клинового элемента лапы с почвой

Рисунок 5 - Схема взаимодействия долота лапы с почвой

Сопротивление почвы на внедрение лезвия долота:

где 1д и ¿д - длина и толщина режущей кромки, м. Тяговое сопротивление на деформацию почвы: р*ф=т__соз^п^+гр') 1

ад+<р + <р' 2

COS <р - COSÍ——1-----)

Оh+hp-tgif)-hp,H,

(22)

(23)

где I// и ао - угол скола и крошения почвы долотом, град; Нр - глубина

хода долота лапы, м.

Сопротивление от веса пласта определится выражением:

р% =Р~Ъ-«*+ьд)-ьр ■tg(aд + <р),н, (24)

где С1д - длина долота лапы, м; Ь0- ширина верхней кромки долота, м. Сопротивление от инерции пласта определится выражением:

К =Р~(1д+Ьд)-ад- — -йп2ад- + <р),н. (25)

2 Я

Передний и задний клиновые элементы лемехов лапы участвуют в полублокированном рыхлении пласта почвы, двигаясь за долотом (рисунок 6). Сопротивление почвы на внедрение лезвия клинового элемента определится:

2 (26) где /л1;2и/л12- длина и толщина режущей кромки переднего (л1) и заднего (л2) клиновых элементов, м.

Тяговое сопротивление на деформацию почвы определится: ,, cos0-sin(ar!|3+2в?')

^ = Г--(27)

COS(р' ■ cos(-:---)

Сопротивление от веса пласта определится выражением:

р~ р h"' 1"У2' b'vl + ^" " ctSr + «»gj н (28)

^ 2-sin/ со5огл1;2 - tg(p-sin у-cosa „У1

Сопротивление от инерции пласта определится:

РГ = Р \ ■ ■ 1,\Л ■sin «,1;2 • sin Г ■ — X 2 g . 2 ■ , 2 , (29)

X-Y-;---,//,

(.ctga^-tgcp-smr) где Ьл - максимальная длина рабочей поверхности клинового элемента, м.

Тяговое сопротивление от стойки лапы можно представить суммой тяговых сопротивлений ее составляющих:

Ра.=Рф + 2-Р6,Н. (30)

где Рф - тяговое сопротивление от деформации почвы фронтальной поверхностью стойки, Н; Рб - тяговое сопротивление от трения с почвой боковой поверхности стойки, Н.

Тяговое сопротивление от деформации почвы фронтальной поверхностью стойки (рисунок 4) определится зависимостью:

Рф (31>

где tcm -толщина стойки, м; коэффициент удельного сопротивления разрыхленного пласта для i-го ряда плоскорежущих лап, II/м .

P6=Ko.-bcm-h;-p,-g-tg(p,H, (32)

где коэффициент бокового давления; Ьст - ширина стойки, м; р'-плотность разрыхленной почвы, кг/м3; <р - угол внешнего трения почвы о сталь, град.

Заделка катком стерневых остатков на необходимую глубину и подповерхностное уплотнение почвы обеспечивается требуемой длиной штифта и диаметром его торцевой части. Штифт, внедряясь в почву, образует конус уплотнения с углом ц/ между его образующей и вертикалью, равный углу внутреннего трения почвы (рисунок 7).

Таким образом, на глубине уплотнения hy каждый штифт уплотняет участок, площадью Sy:

С _ dy - {dia+2\hy-llu\tg^f (33)

IT ТТ - — , М ,

где dv - диаметр уплотненной зоны на глубине hy, м; dw - диаметр штифта, м; 1т - длина штифта, м.

С учетом силы сопротивления перекатыванию гладкой цилиндрической поверхности катка и с учетом ее скольжения в соответствии формулой Горяч-кина-Грандвуане, работа гладкой поверхности катка выразится зависимостью:

А =[¡ + 1*1,0 6G¿ 2-1,Дж, (34)

" 1 4/2J \ 64 - q ■ Вх ■ R-1

где С,к - вертикальная сила давления катка на почву, Я; Вк - ширина гладкой цилиндрической поверхности катка, л<; R, - радиус гладкой цилиндрической поверхности катка, м; е - коэффициент скольжения гладкой цилиндрической поверхности катка; Rv - условный радиус катка, м\ f - коэффициент сопротивления перекатыванию при качении без скольжения; рш - сопротивление перекатыванию при свободном качении гладкой цилиндрической поверхности катка И; q - коэффициент объемного смятия почвы, Н/м ; L - рабочий путь, пройденный катком, м.

Суммарная работа, выполняемая всеми штифтами катка, определится:

где контактное давление штифта на почву, Н/м'; D, - диаметр катка, м; Ащ- расстояние между штифтами, м.

Общее тяговое сопротивление катка Ру, исходя из совершаемой им работы, выразится:

р _f1+3j.).,riSZ+JL¿»., -о- и (36)

~ ^ 4 /2 J ÍM-q-BK-Rl 42 " " А--Д2«' '

4 4

катка с почвой

Таким образом, определив сумму всех составляющих тягового сопротивления каждого рабочего органа, с учетом их количества, получим общее тяговое сопротивление комбинированного орудия.

Результаты расчета тягового сопротивления рабочих органов и общего сопротивления орудия при работе на обыкновенном среднесуглинистом черноземе приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Расчетные данные по тяговому сопротивлению рабочих органов

при различных скоростях движения

Показатели V = 1,7 м/с V = 2,0 м/с V = 2,4 м/с V = 2,7 м/с

Тяговое сопротивление ножевого диска, Н (всех дисков) 36,5 (949) 36,9 (959) 37,3 (970) 37,7 (980)

Тяговое сопротивление плоскорежущей лапы, Н (всех лап) 1462 (10234) 1472 (10304) 1495 (10465) 1515 (10605)

Тяговое сопротивление катка, Н 735 735 735 735

Общее тяговое сопротивление орудия, Н 11918 11998 12170 12320

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» излагается программа, общая и частные методики экспериментальных лабораторно-полевых и полевых исследований с описанием применяемого оборудования.

Для проведении экспериментальных исследований по влагосбережению почвы использовался электронный влагомер НН2 (фирмы DELTA-T DEVICES LTD, Англия) с датчиком «Theta Probe ML2x» (рисунок 8), измеряющий объемную влажность почвы.

Прибор фиксирует изменения диэлектрической постоянной, трансформирует данные в милливольтный сигнал, пропорциональный содержанию влаги в почве. Датчик состоит из прочного водонепроницаемого корпуса с сенсорами из нержавеющей стали (длина игл 60 мм, диаметр 3 мм) и подключается к влагомеру кабелем длиной до 5 м. Диапазон измерения влажности 5...85%, точность измерения ±1%, дискретность 0,1%.

При проведении энергетической оценки экспериментальное орудие агрегатировалось с трактором МТЗ-82, оснащенным следующими измерительными приборами 14

Рисунок 8 - Электронный влагомер НН2 с датчиком «Theta Probe ML2x»

ФГБУ «Поволжская МИС»: информационно-измерительной системой ИП-238 «Виса», измерителем линейных размеров поля ИП-229, тензодатчиками и токосъёмниками на валах полуосей задних ведущих колес трактора (рисунок 9).

Информационно-измерительная система ИП-238 «Виса» состоит из измерительного блока, портативного компьютера (ноутбука), коммутационного блока, кабеля питания и устанавливается в кабине трактора. Соединительный блок для подключения первичных преобразователей находится на специальной подставке. Первичные преобразователи подключены к соединительному блоку с помощью кабелей. Соединительный блок подключается к аппаратуре с помощью специального многожильного кабеля. Кабель питания подключается к соответствующему разъему аппаратуры и бортовой сети трактора.

При проведении лабораторно-полевых и полевых исследований руководствовались ГОСТ 20915-75 «Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытаний», ГОСТ 28268-89 «Почвы. Методы определения влажности, максимальной гигроскопической влажности и влажности устойчивого завя-дан'ия растений», СТО АИСТ 4.2-2004 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и орудия для поверхностной и мелкой обработки почвы. Методы оценки функциональных показателей», СТО АИСТ 10 4.6-2003 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины почвообрабатывающие. Показатели назначения. Общие требования», ГОСТ Р 52777-2007 «Испытания сельскохозяйственной техники. Методы энергетической оценки», ГОСТ Р 52778-2007 «Испытания сельскохозяйственной техники. Методы эксплуатационно-технологической оценки». Статистическая обработка полученных результатов проводилась на ПЭВМ с помощью стандартных программ «Mathcad» и «Microsoft Office Excel».

В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» приведены основные результаты экспериментов, полученные в ходе лабораторно-полевых и полевых исследований и выполнен их анализ.

В процессе оптимизации конструктивных и технологических параметров рабочих органов комбинированного орудия были проведены лабораторно-полевые исследования с использованием теории многофакторного планирования эксперимента.

Рисунок 9 - Измерительное оборудование для проведения энергетической оценки: 1 - измеритель линейных размеров поля ИП-229; 2 -информационно-измерительная система ИП-238 «Виса»; 3 - токосъёмник

Угол атаки батареи ножевых дисков ркл, °

Рисунок 10 - Зависимость качества крошения почвы от угла атаки батареи ножевых дисков Д,() и расстояния между дисками в батарее при количестве ножей на диске пж) = 8

Установлено, что качество крошения почвы 83...85% обеспечивают следующие параметры батарей ножевых дисков: количество ножей на диске п„д= 8 шт, угол атаки батареи ножевых дисков рн = 22...25° и расстояние между дисками в батарее /„_,= 0,14 м (рисунок 10).

Для определения рациональных диапазонов углов крошения рыхлительных элементов лемехов плоскорежущих лап были проведены экспериментальные исследования по определению их влияния на качество крошен™ почвы при глубине обработки 0,16 м, с рабочими скоростями 1,5; 2 и 2,5 м/с. Средняя твердость почвы при исследованиях в слое 0,05...0,16 м составляла 1,9 МПа при влажности 15,8%. Углы крошения рыхлительных элементов изменялись от 10° до 35°.

Используя уравнение регрессии в раскодированном виде после подстановки соответствующих значений основных факторов, в компьютерной программе «Ма^сас!» графически строили поверхность отклика (рисунок 11) и по ней оценивали влияние факторов на крошение почвы, что позволило определить их рациональные конструктивные и технологические параметры.

Обработкой полученных данных установлено, что оптимальными параметрами плоскорежущих лап с рыхли-тельными элементами лемехов при рыхлении почвы на глубину 0,16 м совместно с предварительным рыхлением батареями ножевых дисков на глубину до 0,065 м являются: угол крошения первого рыхлительного элемента лемеха (5] = 27...32°, угол крошения второго рыхлительного элемен-

>■ Угол крошения первого элемента лемеха Р1, 0

Рисунок 11 - Зависимость изменения качества крошения почвы от углов крошения рыхлительных элементов лемехов и ¡52 при скорости движения V = 2 м/с

та лемеха = 20...25° при рабочей скорости и = 2...2,2 м/с, что обеспечивает качество крошения почвы до 95%.

плотность почвы, г/с»' с целью обоснования ра-

0.93 0,95 0,97 0,99 1,01 1.03 1.05 1.07 1,09 ЦИОНаЛЬНОЙ ДЛИНЫ ШТИфТОВ

катка для создания уплотненного подповерхностного слоя почвы на глубине 0,04...0,06 м повышающего сохранность почвенной влаги, проведены исследования по определению влияния длины штифтов катка на характер уплотнения почвы по глубине. Для исследований использовались штифты длиной 20, 30, 40 мм и диаметром 17 мм. Сила давления катка на почву составляла 1400 Н.

С увеличением длины штифтов увеличивается интенсивность уплотнения по вели-

- Длина штифта 20 мм —Ч— Длина штифта 30 мм --Длина штифта 40 мм

Рисунок 12 - Плотность почвы после катка в зависимости от длины его штифтов чине плотности и интервалу глубины горизонта почвы: штифт длиной 20 мм уплотняет слой 38...50 мм, штифт длиной 30 мм уплотняет слой 43...66 мм, штифт длиной 40 мм уплотняет слой 58...90 мм, то есть изменяется диапазон расположения наиболее уплотненного слоя почвы (рисунок 12).

Для уплотнения слоя почвы на глубине 0,04...0,06 м можно использовать штифты длиной 30 мм. Данная длина штифтов позволяет уплотнить слой почвы в интервале глубины почвенного слоя 0,04...0,06 м до требуемой для сбережения влаги плотности 1,07... 1,08 кг/см3.

Тяговое сопротивление рабочих органов комбинированного орудия при увеличении рабочей скорости возрастает нелинейно (рисунок 13). При этом наибольшая часть энергозатрат приходится на работу плоскорежущих рабочих органов-85,4...85,9%.

Общее тяговое сопротивление экспериментального комбинированного орудия (рисунок 14) при оптимальных скоростях движения 1,7...2,4 м/с составляет 11,5...12,4 кН. Сопоставление тяговых характеристик трактора МТЗ-82 на различных передачах с тяговым сопротивлением орудия, позволяет оценить целесообразность работы на выбранной передаче. Наиболее рациональной является работа агрегата на 5 передаче, имеющей точку максимальной тяговой мощности расположенной наиболее близко к линии тягового сопротивления орудия. Однако оптимальной передачей для работы орудия со скоростью, обеспечивающей наилучшее качество работы (2 м/с), является 4 передача, на которой запас тягового усилия трактора составляет 34%.

У = 83, ЗЗх* 189 94* 1481 2

У = 23 Л к2-4 Г ,589х ♦ 367Л '-47 603* ♦ 78 --Ч ,77 - -----

у=1 ,048»

-

1,5 1,7 1,9 2,1 2.3 2.5 2,7 2,9

--Тяговое сопротивление лапы, Н (теоретическая)

--- Тяговое сопротивление батарей, н (теоретическая)

-Тяговое сопротивление батарей, Н (экспериментальная)

-Тяговое сопротивление лапы, Н (экспериментальная)

— — Тяговое сопротивление катка, Н (теоретическая) -Тяговое сопротивление катка, Н (экспериментальная)

Рисунок 13 - Зависимость тягового сопротивления работа органов комбинированного орудия от скорости движения

Скорость, кЛ:

-Р кр, Н (5 передача)

.....Р кр, Н (6 передача)

-Ркр, Н (4 передача)

« Максимальная тяговая мнцносгь на 5 передаче » Максимальная тяговая мощность на 4 передаче ♦ Максимальная тяговая ьющносгь на 6 передаче

- - Теоретическая зависимость

-Экспериментальные данные

Рисунок 14- Зависимости общего тягового сопротивления комбинированного орудия и тягового усилия трактора МТЗ-82 на передачах 4,5,6 от скорости движения

Эффективность влагосбережения экспериментальным орудием определялась по динамике изменения запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы в течение осенне-весеинего периода (рисунок 15). Сравнение проводилось с агрофонами: без обработки, дискование дисковым мульчировщиком

ДМ-5,2 на глубину 0,12 м, мелкая плоскорезная обработка - культиватором - плоскорезом КПИР-3,6 на глубину 0,16 м.

Динамика изменения запасов влаги показывает, что предлагаемая обработка имеет постоянное преимущество к периоду проведения весенне-полевых работ в апреле-мае перед названными агрофонами соответственно на 31,8; 25,8 и 16,8 мм.

В пятом разделе «Экономическая эффективность применения комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы» приведены экономические расчеты, подтверждающие эффективность применения экспериментального комбинирован-

—Запасы влаги бе! обработки

Запасы влаги после обработки КПИР-3,6 -•-•Запасы влаги после обработки экспериментальным орудием —Е- Запасы влага после обработки ДМ-5,2

Рисунок 15- Запасы продуктивной влаги в 1 м слое почвы на различных агрофонах (осень 2009-весна 2010 года)

ного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы. Применение предлагаемого орудия в сравнении с серийным культиватором-плоскорезом КПИР-3,6 обеспечивает снижение эксплуатационных затрат при проведении осенней обработки на 17,2% (134 руб./га) и прибавку урожайности ярового ячменя «Волгарь» на 5,7% (1,2 ц/га). Годовой экономический эффект от снижения эксплуатационных затрат и повышения количества продукции составил 118648 руб. или 694 руб./га.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Лабораторно-полевыми исследованиями установлено, что лучшие условия накопления и сбережения почвенной влаги обеспечиваются при мелкой мульчирующей обработке с качеством крошения обрабатываемого слоя почвы 85-95% и равномерным распределением измельченных стерневых остатков в

поверхностном слое почвы.

С целью повышения накопления и сбережения осенне-зимней влаги предложен технологический процесс мелкой мульчирующей обработки почвы. Для его осуществления разработано и запатентовано комбинированное орудие, обоснована его конструктивно-технологическая схема с рабочими органами, выполняющими рыхление поверхностного слоя почвы, измельчение стерневых остатков, их равномерное перемешивание, а также разрыхление ниже расположенного слоя и последующее поверхностное выравнивание с подповерхностным уплотнением.

2. Теоретически обоснована зависимость интенсивности испарения почвенной влаги от физических параметров, характеризующих состояние замульчированной почвы, получены теоретические зависимости для определения тягового сопротивления рабочих органов входящих в состав комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы (батарей ножевых дисков, плоскорежущих лап с рыхлительными элементами лемехов и катка с

штифтовыми элементами).

3. Рациональными конструктивными и технологическими параметрами батарей ножевых дисков являются количество ножей на диске п„д = 5 шт., расстояние между дисками в батарее 1„д = 0,14 м и угол атаки батарей = 22...250. Рациональными параметрами плоскорежущих лап с рыхлительными элементами лемехов являются угол крошения первого рыхлительного элемента лемеха = 27...32°, угол крошения второго рыхлительного элемента лемеха = 20...25° при рабочей скорости и = 2...2,2м/с. Рациональные параметры катка: дайна штифта /„, = 30 мм. сила давления катка на почву Ск = 1400 Н. При данных параметрах общее тяговое сопротивление орудия при работе на обыкновенном среднесуглини-стом черноземе составляет до 12,4 кН.

4. Полевые исследования экспериментального комбинированного орудия показали, что качество крошения слоя почвы 0...0,16 м составляет до 95%; заделка измельченных стерневых остатков в поверхностный слой 0..Д06 м до 66,4%; гребнистость поверхности не более ±0,02 м; плотность слоя почвы 0,04...0,06 м, уплотняемого штифтовым катком - 1,07...1,08 г/см .

Применение предлагаемого комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей (влагосберегающей) обработки почвы в сравнении с мелкой плоскорезной обработкой орудием КПИР-3,6 позволило снизить эксплуатационные затраты при проведении осенней обработки на 17,2% и увеличить запасы продуктивной влаги на 12,8% (16,8 мм), что обеспечило прибавку урожайности ярового ячменя «Волгарь» на 5,7% (1,2 ц/га). Годовой экономический эффект от снижения эксплуатационных затрат и повышения количества продукции составил 118648 руб. или 694 руб./га.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Савельев, Ю.А. Обоснование конструктивно-технологических параметров комбинированного рабочего органа для рыхления уплотненной почвы / Ю.А. Савельев, М.Р. Фатхутдинов, Ю.М. Добрынин // Вестник Саратовского госагро-университета им. Н.И. Вавилова. - Саратов, 2009. -№1. - С.52-54.

2. Савельев, Ю.А. Конструктивно-технологическое обоснование почвообрабатывающих ножевых дисков / Ю.А. Савельев, Ю.М. Добрынин // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - Самара, 2010 — Вып. №3. - С.32-35.

3. Савельев, Ю.А. Обоснование конструктивно-технологических параметров плоскорежущих лап / Ю.А. Савельев, Ю.М. Добрынин // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - Самара, 2011. - Вып. №3. - С.54-57.

4. Савельев, Ю.А. Теоретическое обоснование тягового сопротивления батарей ножевых дисков/ Ю.А. Савельев, П.А. Ишкин, Ю.М. Добрынин // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - Самара, 2011,- Вып. №3. - С.26-29.

5. Савельев, Ю.А. Орудие для мелкой мульчирующей обработки / Ю.А. Савельев, Ю.М. Добрынин // Сельский механизатор. - 2011. - №11. - С.9.

Патенты

6. Пат. № 2421961 Российская Федерация, МПК А01В 49/02. Комбинированное почвообрабатывающее орудие / Ю.А. Савельев, В.А. Милюткин, Ю.М. Добрынин; заявитель и патентообладатель Самарская гос. с.-х. академия - № 2010106871/21; заяв. 24.02.2010; опубл. 27.06.2011, Бюл. № 18.

Отчеты о научно-исследовательских работах

7. Савельев, Ю.А. Отчет о НИР (№ госрегистрации 01.200506416) Разработка технологий и технических средсв для разуплотнения почвы после проходов сельскохозяйственных тракторов и машин по теме: Теоретическо-экспериментальное обоснование конструктивно-технологических параметров и энергетических показателей рабочих органов комбинированного орудия для мелкой мульчирующей обработки почвы / Ю.А Савельев, М.Р. Фатхутдинов, П.А. Ишкин, Ю.М. Добрынин, И.Ю. Савельева. - Кинель, 2010. - 66 с.

Подписано в печать 22.12.2011 г. Формат 60х84/16.0бъсм 1 пл. • Тираж 100. Заказ №289 Отпечатано с готового оригинал-макета в Пензенской мини-типографии Свидетельство № 5551 440600, г. Пенза, ул. Московская, 74

61 12-5/1571

ФГБОУ ВПО «САМАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

ПОВЫШЕНИЕ ВЛАГОСБЕРЕЖЕНИЯ ПОЧВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ОРУДИЯ ДЛЯ МЕЛКОЙ МУЛЬЧИРУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Добрынин Юрий Михайлович

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Савельев Ю.А.

Пенза 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................6

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ........10

1.1 Анализ влияния способов обработки почвы на накопление и сбережение влаги.................................................................................10

1.2 Обзор существующих способов осенней мелкой обработки почвы для осенне-зимнего накопления и сбережения влаги.....19

1.3 Обзор средств механизации для осенней мелкой обработки почвы......................................................................................................27

1.4 Анализ результатов исследований процесса накопления и сбережения влаги в почве..................................................................37

Выводы, цель и задачи исследований....................................................42

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА МЕЛКОЙ МУЛЬЧИРУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ, КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КОМБИНИРОВАННОГО ОРУДИЯ...........................................................................................................44

2.1 Обоснование технологического процесса мелкой мульчирующей (влагосберегающей) обработки почвы............................................44

2.2 Разработка конструктивно-технологической схемы орудия для

мелкой мульчирующей обработки почвы......................................46

2.3 Теоретическое исследование водного баланса почвы в осенний период.....................................................................................................48

2.3.1 Теоретические исследования процессов испарения почвенной влаги..........................................................................................................50

2.4 Обоснование конструктивных и технологических параметров и тягового сопротивления ножевых дисков......................................54

2.5 Обоснование конструктивных и технологических параметров и тягового сопротивления плоскорежущих рабочих органов.......60

2

2.6 Обоснование конструктивных и технологических параметров и

тягового сопротивления катка с штифтовыми элементами......68

Выводы..........................................................................................................74

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................................76

3.1 Программа экспериментальных исследований..............................76

3.2 Методика лабораторно-полевых исследований по определению

физико-механических свойств почвы.............................................77

3.2.1 Методика определения влажности почвы......................................77

3.2.2 Методика определения плотности почвы......................................79

3.2.3 Методика определения твердости почвы.......................................80

3.3 Методика лабораторно-полевых исследований динамики

изменения влажности почвы в осенне-весенний период на сравниваемых обработках.................................................................82

3.3.1 Методика определения потерь влаги на испарение пахотным горизонтом...............................................................................................83

3.3.2 Методика определения запаса влаги в метровом слое почвы ..85

3.4 Методика проведения лабораторно-полевых исследований по определению рациональных конструктивных и технологичес-

ких параметров рабочих органов комбинированного орудия для

осенней мелкой мульчирующей обработки почвы......................87

3.4.1 Методика определения рациональных конструктивных и технологических параметров батарей ножевых дисков.............89

3.4.2 Методика определения рациональных конструктивных и технологических параметров плоскорежущих лап с рыхлительными элементами лемехов.............................................91

3.4.3Методика определения рациональных конструктивных и технологических параметров катка с штифтовыми элементами...................................................................................92

3.5 Методика проведения лабораторно-полевых исследований по определению качественных показателей работы экспериментального комбинированного орудия с новыми рабочими органами для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы.................94

3.5.1 Методика определения степени измельчения и заделки

стерневых остатков...............................................................................97

3.6 Методика проведения лабораторно-полевых исследований по определению энергетических показателей экспериментального комбинированного орудия с новыми рабочими органами для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы......................99

3.7 Методика проведения полевых исследований в производственных условиях по определению технико-экономических показателей комбинированного орудия с новыми рабочими органами для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы.......................105

3.7.1 Устройство и технологический процесс работы комбинированного орудия для мелкой осенней мульчирующей обработки почвы..................................................................................105

3.7.2 Методика определения эксплуатационно-технологических показателей и влияние результатов обработки на урожай......108

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ.........................................................................................................110

4.1 Анализ результатов исследований по изменению запасов влаги в пахотном слое в зависимости от вида обработки и среднесуточной температуры воздуха...........................................110

4.2 Результаты и анализ лабораторно-полевых исследований.......111

4.2.1 Определение рациональных параметров рабочих органов

комбинированного орудия для осенней мелкой

мульчирующей обработки почвы.................................................112

4.2.1.1 Экспериментальное обоснование рационального угла атаки

ножевых дисков и расстояния между ними.............................................112

4

4.2.1.2 Оптимизация конструктивных и технологических параметров ножевых дисков.........................................................................115

4.2.1.3 Экспериментальное обоснование рациональных диапазонов углов крошения рыхлительных элементов лемехов плоскорежущих лап........................................................................................118

4.2.1.4 Оптимизация конструктивных и технологических параметров плоскорежущих лап.................................................................119

4.2.1.5 Экспериментальное обоснование длины штифтов катка.....120

4.2.2 Анализ результатов исследований по определению энергетических показателей комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы....................122

4.2.3 Анализ результатов исследований технологического процесса работы комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы...................................................125

4.3 Анализ результатов полевых исследований.................................130

Выводы........................................................................................................131

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ОРУДИЯ ДЛЯ ОСЕННЕЙ МЕЛКОЙ МУЛЬЧИРУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ........................................133

5.1 Расчет балансовой стоимости экспериментального комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы................................................................................134

5.2 Прямые эксплуатационные затраты..............................................136

5.3 Годовой экономический эффект от внедрения комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы.. 140

Выводы........................................................................................................141

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...........................................................................................142

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................................144

ПРИЛОЖЕНИЕ................................................................................................157

ВВЕДЕНИЕ

В Российской Федерации около 30% посевных площадей приходится на засушливые степные регионы, в которых выращивается почти половина всего производимого в стране зерна, а также 40% подсолнечника и 80% проса [121]. Почвенно-климатические условия этих регионов имеют большой потенциал для получения высоких урожаев различных сельскохозяйственных культур, но постоянный недостаток почвенной влаги сдерживает увеличение объемов их производства.

Однако дефицит почвенной влаги обусловлен не только недостатком атмосферных осадков, но и неэффективным их сбережением. Установлено, что потери влаги на непродуктивное испарение достигают 40...70% выпадающих осадков [121].

Существующие способы по накоплению и сбережению почвенной влаги свидетельствуют о возможности улучшения влагообеспеченности почв засушливых регионов путем разработки более эффективных влагосберегающих почвообрабатывающих агроприемов. [86]. Одним из них является осенняя мелкая мульчирующая обработка, при которой создается разрыхленный верхний слой почвы с замульчированной поверхностью. Верхний слой почвы при рыхлении и мульчировании способствует накоплению и сохранению влаги не только в верхних, но и в более глубоких почвенных горизонтах.

Однако применяемые орудия для мелкой мульчирующей обработки не в полной мере обеспечивают качественные показатели верхнего влагосберегающего мульчирующего слоя.

Поэтому разработка комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки, направленной на повышение влагосбережения почвы, является актуальной научной и практически значимой задачей.

Данная работа выполнялась по плану НИОКР ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА» согласно научно-исследовательской теме «Разработка технологий и технических средств для разуплотнения почвы после проходов сельскохозяйственных тракторов и машин» (ГР № 01.200506416).

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИИ. Повышение влагосбережения почвы за счет совершенствования технологического процесса работы комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИИ. Технологический процесс осенней мелкой мульчирующей обработки почвы комбинированным орудием.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИИ. Запасы влаги в почве и интенсивность ее испарения, конструктивные и технологические параметры, а также энергетические показатели рабочих органов (батарей ножевых дисков, плоскорежущих лап с рыхлительными элементами лемехов, катка с штифтовыми элементами) комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. Теоретические исследования комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки выполнялись с использованием основных положений, законов и методов классической механики, математики и статистики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторно-полевых и полевых условиях в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ, с общепринятыми и частными методиками, а также с использованием теории планирования многофакторных экспериментов. Обработка экспериментальных данных и расчеты выполнялись методами математической статистики на ПЭВМ с использованием стандартных программ «Mathcad» и «Microsoft Office Excel».

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научную новизну работы составляют:

- технологический процесс осенней мелкой мульчирующей обработки почвы, конструктивно-технологическая схема и рабочие органы (батареи ножевых дисков, плоскорежущие лапы с рыхлительными элементами лемехов, каток с штифтовыми элементами) комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы, обеспечивающих повышение влагосбережения;

- теоретическая зависимость по определению интенсивности испарения влаги от физических параметров, характеризующих состояние замульчированной почвы, а также теоретические зависимости тягового сопротивления батарей ножевых дисков, плоскорежущих лап с рыхлительными элементами лемехов и катка с штифтовыми элементами от их конструктивных и технологических параметров.

7

Новизна конструкции комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы и его рабочих органов подтверждена патентом РФ на изобретение № 2421961.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Результаты научных исследований послужили основой для разработки комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей (влагосберегающей) обработки почвы с обоснованием его рациональных конструктивных и технологических параметров. Использование предлагаемого экспериментального орудия при проведении осенней мелкой мульчирующей обработки позволило увеличить запасы продуктивной влаги на 12,8% (16,8 мм), что дало прибавку урожайности ярового ячменя «Волгарь» на 5,7% (1,2 ц/га) в сравнении с осенней мелкой плоскорезной обработкой орудием КПИР-3,6, а также снизило эксплуатационные затраты при проведении осенней обработки на 17,2%.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Разработанное комбинированное орудие для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы прошло производственную проверку в ГНУ «Поволжский научно-исследовательский институт селекции и семеноводства им. П.Н. Константинова» Самарской области и рекомендовано актом хозяйственной комиссии к использованию. Экспериментальный образец орудия экспонировался на «XIII Поволжской агропромышленной выставке», проходившей 10-12 июня 2011 г. на базе ФГБУ «Поволжская зональная машиноиспытательная станция».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА» (2008...2011 гг.) и ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2011 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 5 статей опубликовано в изданиях, указанных в «Перечне ... ВАК», получен 1 патент на изобретение. Общий объем публикаций составляет 4,04 п.л., из них автору принадлежит 1,82 п.л.

СТРУКТУРА И ОББЁМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа изложена на 156 е., состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы из 140 наименований и приложения на 8 е., содержит 11 табл. и 73 рис.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

- технологический процесс осенней мелкой мульчирующей обработки почвы, конструктивно-технологическая схема и новые рабочие органы (ножевой диск, плоскорежущая лапа с рыхлительными элементами лемехов, каток с штифтовыми элементами) экспериментального комбинированного орудия для ее реализации;

- теоретическое обоснование зависимости интенсивности испарения влаги от физических параметров, характеризующих состояние замульчированной почвы; конструктивных и технологических параметров, а также тягового сопротивления рабочих органов (батарей ножевых дисков, плоскорежущих лап с рыхлительными элементами лемехов, катка с штифтовыми элементами) комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы;

- интенсивность испарения влаги из замульчированной почвы, рациональные значения конструктивных и технологических параметров (угол атаки ножевых дисков, количество ножей на диске, расстояние между дисками в батарее, углы крошения рыхлительных элементов лемехов, рабочая скорость, длина штифтов и сила давления катка на почву) рабочих органов комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы и их энергетические показатели;

- экспериментальные значения агротехнических показателей (качество крошения почвы, степень измельчения и заделки стерневых остатков), характеризующих качество работы комбинированного орудия для осенней мелкой мульчирующей обработки почвы и полученный от его применения эффект влагосбережения (запасы продуктивной влаги).

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ влияния способов обработки почвы на накопление и сбережение влаги

Главной задачей земледелия в зонах с недостаточным количеством осадков является накопление, сбережение и рациональное использование почвенной влаги, так как в этих условиях именно влага является ограничивающим фактором для получения высоких и устойчивых урожаев возделываемых культур [26, 61].

Основная доля годовых осадков в таких зонах приходится на послеуборочный осенне-зимний период, при этом значительная их доля теряется на физическое испарение, снос ветром и поверхностный сток. Так, по результатам исследований Г.И Казакова из Самарской ГСХА, потери влаги на непродуктивное физическое испарение с поверхности поля в условиях Среднего Поволжья достигают 60...65% от суммы осадков [46].

Эффективность накопления и сбережения осадков осенне-зимнего периода зависит от способа послеуборочной обработки почвы [107]. Выбор того или иного способа осенней обработки в засушливых регионах будет определяться в первую очередь от его влияния на потенциальную способность почвы накапливать и сохранять влагу.

Результаты исследований Самарского НИИСХ показали, что усвоение почвой осенних осадков в степных районах при традиционной пахотной системе обработки составляет в ноябре - 70...80%, а к установившемуся зимнему периоду усваивается в среднем 45% от осенних осадков, остальная же влага испаряется [5, 46, 61].

Более эффективным агроприемом по влагосбережению является безотвальная обработка. Сравнивая по запасам влаги трад�