автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка технологии и технических средств для разуплотнения черноземных почв в Венгерской Республике

Московский государственный агроинженерный университет им. В.ГТ. Горячкина

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ РАЗУПЛОТНЕНИЯ ЧЕРНОЗЕМНЫХ ПОЧВ В ВЕНГЕРСКОЙ РЕСПУБЛИКЕ

Специальность 05.20.01. Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

Каифаш Ференц

V

я у

¿Москва 1998

А

У J

г]:

с/ V

п

' / //

X '7 л 1 о ^

Официальные оппоненты:

- Доктор технических наук, профессор Зангиев А.А.

- Доктор технических наук, профессор Бурченко П.Н.

- Доктор сельскохозяйственных наук, профессор Горбачев И.В.

Ведущая организация - Государственная Центральная машинно-

испытательная станция (ЦМИС)

Защита состоится К —■= ч IЯ часов на заседании диссертационного совета Д. 12 - ' - государственного агроинженерного у и эячкина (МГАУ) по адресу: 127550, г

С диссертацией в виде в; ^ в библиотеке университета.

Диссертация в виде на> ипого доклада разослана « 9 » 1998 года

роееийскдя

Ученый секретарь V

диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

А. Г. Левшин

-¿'/¿РА- ?

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В Венгерской республике (ВР) значительная площадь обрабатываемых земель представлена черноземными почвами, подверженными засолению и осолонцеванию. В результате длительной эксплуатации сельскохозяйственных угодий образуется «подпахотная подошва», уплотняется подпахотный слой. Из-за уплотненной почвы активизируются эрозионные процессы, нарушается водно-воздушный и солевой режимы почв.

Существующие технологии и технические средства, применяемые при разуплотнении черноземов, не соответствуют агротехническим требованиям:

- не обеспечивается нужная глубина рыхления без образования уплотненного ядра в зоне резания;

- образуется большое число гребней на обработанной поверхности поля;

- затрудняется работа разуплотняющих агрегатов при наличии стерни крупных стеблестоев;

- разуплотнение требует больших затрат энергии и др.

Опыт /53/ показывает, что применение соответствующих машин в подготовительных операциях и разуплотнение черноземов ВР на глубину 0,4...0,6 м агрегатами с широкозахватными (¿>1,0 м) рыхлителями обеспечивает повышение урожайности сельскохозяйственных культур и плодородие черноземов.

Разработка поставленной проблемы требует комплексного решения взаимосвязанной совокупности научных и практических задач, базирующихся на исследованиях системы: почва-растение-рабочий орган.

Исследованием обоснованы технология и технические средства для разуплотнения черноземных почв в ВР. Определены параметры и режимы работ агрегатов и их технологические и технико-экономические показатели.

Настоящее исследование выполнено автором в Университете арарных наук (УАН) г. Геделле (ВР) и в Московском агроинже-|рном университете имени В.П. Горячкина в 1970... 1997 гг.

и.-ль и задачи исследования повысить продуктивность уплот-черноземов и снизить эрозионные процессы в них. Для ; жжения цели постановлены следующие задачи:

- определить технологические свойства уплотненных чернозе-' и их пригодность для глубокого разуплотнения;

обосновать технологии разуплотнения черноземов и смежных и операций;

- предложить рабочие органы для подготовительных процессов и разуплотнения почвы;

- обосновать параметры и режимы работы машин и агрегатов;

- оценить технологические, силовые и энергетические показатели работы машин и агрегатов;

- оценить качество и эффективность разуплотнения черноземов.

Научную новизну составляют: послойное деформирование почвы, устраняющее блокированное резание на большую глубину; методы применения дискретных функций для исследования производительности машин.

На защиту выносятся:

- методика ранжирования черноземов по плотности и пригодности их для разуплотнения;

- кинематика и динамика почвенных частиц при деформировании пласта на глубину 0,5...0,6 м;

- технология разуплотнения черноземов без образования вертикальных щелей и уплотнения нижних слоев;

- глубокорыхл и гел ь лемешного типа с глубиной хода до 0,6 м с шириной захвата 1,5 м;

- моделирование измельчения растительных остатков, разуплотнения почвы, устойчивости движения агрегатов;

- кинематические и динамические параметры агрегатов с тракторами класса 1,4 и 3,0;

- технологии разуплотнения черноземов при возделывании основных культур;

- периодичность обработки почвы с применением глубокого разуплотнения;

- зависимость тягового сопротивления и энергозатрат от глубины хода и массы обрабатываемой почвы;

- изменение урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от плотности почвы.

Практическую ценность работы составляют:

- технология разуплотнения черноземов на глубину до 0,6 м;

- методика оценки плотности черноземов и их ранжирование;

- машины и агрегаты для выполнения работ по разуплотнению почв, измельчению растительных остатков и внесению мелиорантов;

- методики расчета рабочих органов для измельчения пожнивных остатков, внесения удобрений и разуплотнения почвы;

- зависимости технологических, силовых и энергетических параметров рабочих органов от режимов их работы;

Техническая новизна работы подтверждена 5 авторскими свидетельствами на изобретения.

Достоверность исследований. В экспериментальных исследования применяли методы тензометрии, кинофотосъемки, гидромеханического моделирования; при обработке данных экспериментов -методы теории вероятности и математической статистики, численного эксперимента с использованием ПЭВМ и разработанных механико-математических моделей.

Экспериментальные исследования широко проведены как в лабораторных; лак и в полевых условиях в различных хозяйствах ВР. Ошибка экспериментов не превысила 6...8% при достоверности 90...95%.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывали на научных конференциях Академии наук ВР, на международных научных конференциях в Университете аграрных наук (г. Геделле) в 1970...1995 гг., МГАУ им. В.П. Горячкина (1978..,1995 гг.), в Научно-исследовательском институте механизации сельского хозяйства Венгрии (1994 г.), на машиностроительных заводах по производству сельскохозяйственных и мелиоративных машин, в производственных организациях и фермерских хозяйствах Венгрии.

Результаты исследований опубликованы в печати, положения диссертации используют в учебных процессах УАН и МГАУ им. В.П. Горячкина, Политехническом университете ВР. Основное содержание исследования опубликовано в 53 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, 7 глав, основных выводов и заключений, списка литературы. Объем работы 55 стр., 18 рис. и 8 табл. Автор выражает благодарность Доктору Д. Сабо (УАН), профессорам МГАУ Казакову В.С. и Кленину Н.И. за помощь, оказанную в работе.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Черноземные почвы Венгерской Республики, анализ и направление исследований

Земледелие в ВР сосредоточено в основном на территории Большой Среднедунайской низменности и на холмистой местности к западу от р. Дунай. Черноземные почвы располагаются на лесах и занимают 28% от общей обрабатываемой площади, они характеризуются как слабоводонепроницаемые, щелочные, подверженные осолонцеванию и засолению. В южных районах наблюдается высокое расположение (1,0..,1,5 м от поверхности) минерализованных грунтовых вод, здесь применяют орошение дождеванием с помощью широкозахватных машин. В центральной части Венгрии на черноземных почвах сельское хозяйство развивается в условиях богарного земледелия при остром дефиците влаги в течение вегетационного периода. Среднегодовое количество осадков 500...550 мм, но они выпадают крайне неравномерно, главным образом, осенью и зимой и в небольшом количестве в июле - августе. Недостаток влаги весной вызывает значительные потери урожая.

Черноземные почвы в Венгрии обладают высоким плодородием. Однако интенсивная обработка черноземных почв приводит их к уплотнению, к интенсивной ветровой и водной эрозии. Для почвенного профиля маломощных черноземов характерны следующие горизонты: А - мощностью 0,25...0,40 м (темно-серой или темно-бурой окраски) комковатой структуры; В - коричнево-бурой окраски с явно выраженной уплотненностью. Общая мощность гумусового слоя 0,45...0,60 м, иллювиальный горизонт имеет отчетливо выраженную белоглазку. Элементы минерального питания в основном сосредоточены в слое 0,3...0,4 м, что определяет развитие корневой системы растений. Пористость с глубиной уменьшается с 52...55 до 41% в слое 0,3...0,5 м, что свидетельствует о формировании уплотненного иллювиального горизонта, происходит уменьшение влагоемкости почвы, утяжеление гранулометрического состава. «Плужная подошва», образующаяся ниже глубины пахоты, отрицательно сказывается на водно-воздушном режиме почвы, ее наличие ограничивает объем аккумулирования продуктивных запасов влаги, глубину проникновения корневой системы растений, интенсифицирует процессы испарений почвенной влаги, что приводит к снижению устойчивости растений к засухам и суховеям.

Учитывая особенности черноземов - нарушение структуры почвенного профиля под действием механического давления - необходимо сократить число механических обработок почвы, разуп-

лотнить почвенный слой на глубину 0,4...0,6 м без нарушения генетического профиля с внесением органических и минеральных удобрений.

Над проблемой разуплотнения почв работали: В.П. Горячкин, И.П. Айдаров, В.И. Бобченко, П.Н. Бурченко, Р. Годвин, Т.М. Го-логурский, B.C. Жегалов, A.A. Зангиев, А.Н. Зеленин, B.C. Казаков, В.А. Ковда, А.Н. Костяков, A.C. Кушнарев, ИМ Панов, В.А. Сакун, Г.Н. Синеоиов, Г. Спуур, В.В. Труфанов, К. Тютиник, Б.Б. Шумаков, Балатон Эие, Яиаш Банхази, Йори Иштван, Биркаш Марта (BP) и др.

Вклад в разборку конструкций орудий и их испытание внесли: С.Ш: Бабуадзе, С.А. Ешенкулов, В.П. Максименко, М. Манукян, Н.К. Насиров, В.Г. Пальцев, В.В. Суриков, Шульте-Карринг.

На основании выполненного анализа установлено:

- в процессе эксплуатации сельскохозяйственных угодий почвенные слои уплотняются, нарушая водно-воздушный и солевой режимы в почве;

- глубокое разуплотнение почв - один из процессов, повышающих урожайность сельскохозяйственных культур, сохраняющих и повышающих плодородие земель;

- существующие технологии и средства разуплотнения почвы не в полной мере соответствуют агротехническим требованиям обработки черноземов (образует большое число щелей и валиков на поверхности почвы, недостаточно заделываются пожнивные остатки крупностебельных культур);

- одно из возможных направлений сохранения и повышения плодородия черноземов - разуплотнение почв рыхлителями на глубину до 0,6 м без образования уплотненного ядра;

- требуется комплексное решение по разработке, как технологий, так и технических средств, применяемых при разуплотнении черноземов и взаимосвязанных с ним процессов измельчения пожнивных остатков, внесения удобрений и мелиорантов, предпосевного рыхления и др.

2. Технологии возделывания основных культур с разуплотнением черноземов

2.1. Рыхление - один из процессов сохранения и повышения плодородия почвы

Глубокое рыхление почв - эффективный способ повышения плодородия сельскохозяйственных культур и улучшение её структуры. Оно находит применение для решение различных мелиоративных мероприятий.

Разуплотнением разрушают иллювиальный, гипсоносный и карбонатный горизонты; «плужную подошву», образованную от воздействия сельскохозяйственных машин; ликвидируют их генетическое уплотнение. При этом почва распадается на отдельные комья, пронизанные сетью трещин, в которые свободно проникает корневая система растений, формулируется новая структура почвенного профиля, улучшается водно-воздушный, солевой и тепловой режимы, определяющие условие плодородия почв.

Рыхление увеличивает скважность почв, обеспечивая: накопление атмосферных осадков, подавление восходящих потоков влаги, аккупуляцию поверхностных стоков, равномерное распределения влаги по глубине почвенного слоя.

Глубокое рыхление - один из способов борьбы с засолением почв и предупреждения вторичного засоления. При промывках засоленных земель рыхление способствует интенсификации процессов рассоления, обусловливает сокращение сроков работы. Это -эффективное средство борьбы с сорной растительностью. Применять его можно также на почвах, имеющих каменистые включения размером до 80 мм.

В результате снижения концевых сбросов и перевода поверхностного стока при орошении по бороздам и разуплотнении почвы значительно (до Ю раз) уменьшается ирригационная эрозия.

Разрыхленная почва способствует более эффективному использованию мелиорантов (удобрений). Внесение жидких комплексных удобрений (навоза) в месте с разуплотнением улучшает водный, воздушный и питательный режимы растений, обеспечивает интенсивный рост и развитие корневой системы, забор влаги из глубоких слоев почвы. Глубокое проникновение в почву корней в свою очередь стабилизирует разрыхленную структуру, образуя в подпахотном слое органические вещества.

В работе основное внимание уделено разуплотнению черноземов с целью разрушения иллювиальных, гипсовых, карбонатных горизонтов и «плужной подошвы».

2.2. Возделывание основных культур на черноземах ВР

В Венгерской Республике более 60% посевных площадей занимают зерновые культуры: колосовые (38,1%) и кукуруза (25%). Кукуруза на силос занимает 16% всех посевных площадей, подсолнечник - 8,3%, сахарная свекла и корнеплоды - 2,3%, многолетние и однолетние травы - 11,9%. С учётом ограниченного количества осадков в весенний период особую актуальность приобретают агротехнические мероприятия по накоплению влаги в осенне-зимний период. Одним из таких мероприятий является рыхление почвы.

Блок - схема технологий возделывания основных сельскохозяйственных культур с разуплотнением черноземов приведена на рис. 1. ;,):■/.,-'

Рис. 1. Блок схема работ по разуплотнению черноземов ВР (---------периодически раз в 2-3 года;--ежегодно)

После уборки грубостебельных культур (подсолнечник, кукуруза) необходимо проводить измельчение растительных осодкоа, Для

•^Шштт й

выполнения этой операции разработаны типоразмерный ряд ротационных измельчителей с шириной захвата: 1,5, 3,0 и 6,0 м, обеспечивающих измельчение пожнивных остатков.

После измельчания стеблей, в зависимости от схемы севооборота, проводят операции по сплошному внесению органических и минеральных удобрений. Для заделки удобрений применяют вспашку или дискование на глубину 18...22 см, или глубокую зспашку - 27...32 см. Глубокое рыхление проводят один раз в 2...3 года. Разуплотнение рекомендуется выполнять послойно на разную глубину. 45...50 см и 50...60 см. Предварительное рыхление почвы на глубину 18...22 см снижает (на 17-21%) энергозатраты на глубокую обработку почвы.

Анализ данных по 30 сельскохозяйственным предприятиям, проведенный группой ученых Университета аграрных наук ВР (руководитель М. Биркаш), показывает, что максимальная (5,7...6,9 т/га) урожайность озимой пшеницы была получена при культивации на глубину 16...22 см. Вторым по эффективности (урожайность 5,6...6,7 т/га) было глубокое (35...40 см) рыхление и дискование (16... 18 см).

Максимальная урожайность (6,8...8,6 т/г а) кукурузы на зерно, сахарной свеклы (до 60 т/га) и подсолнечника 2,6...3,6 т/га получены так же при глубоком (50...60 см) рыхлении.

В настоящее время для глубокого рыхления черноземов в Венгрии применяют чизель типа LATAR 3510 или Raba-Case IH-10-14-7/5.

Мелкую вспашку проводят плугами типа Raba-Case IH-10-720, глубокое дискование - дисковой бороной NT-3,3. Для глубокого рыхления возможно использование чизелей ПЧ-2,5 или ПЧ-4,5.

При выборе способа глубокого рыхления необходимо учитывать тот факт, что лаповые глубокорыхлители, наряду с положительным эффектом (разрушение «плужной подошвы») работают в зоне блокированного резания (ниже критической глубины), существенно уплотняя нижние слои. Этого недостатка не имеют тяжелые диски, но глубина обработки дисковыми рабочими органами ограничена (18...20 см).

Для эффективного разуплотнения и восстановления структуры черноземов предложены рабочие органы для глубокого рыхления, не уплотняющие нижние слои и позволяющие одновременно вносить удобрения и мелиоранты для улучшения структуры подпахотного слоя.

3. Параметры и энергетика разработанных машин для подготовительных операций

3.1. Измельчители пожнивных растительных остатков

Ниже проведено обобщение работ /2, 5, 7/, выполненных применительно к подготовительным операциям для измельчения растительных остатков. Оно касается процессов подготовки поля к глубокому рыхлению, когда предшественниками были толстостебельные культуры (кукуруза, подсолнечник) и высокорослые травы.

Одной из проблем, стоящих перед механизацией сельского хозяйства Венгрии, была п�