автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Снижение уплотнения почвы разработкой и применением рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя перед движителем трактора

На правах рукописи

Сысоева Раиса Юрьевна

СНИЖЕНИЕ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВЫ РАЗРАБОТКОЙ И ПРИМЕНЕНИЕМ РЫХЛИТЕЛЯ ПОДПОВЕРХНОСТНО-ДЕМПФИРУЮЩЕГО СЛОЯ ПЕРЕД ДВИЖИТЕЛЕМ ТРАКТОРА

Специальность 05.20.01 — технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза-2013

г 9 АВГ 2013

005532470

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

Научный руководитель Петров Александр Михайлович

кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Кухмазов Кухмаз Зейдулаевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», заведующий кафедрой «Эксплуатация машинно-тракторного парка»

Добрынин Юрий Михайлович

кандидат технических наук, ФГБУ «Поюлжская МИ С», заведующий лабораторией «Испытания зерно-кормоуборочной, оросительной техники и внедрения новых технологий»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА имени

ПА. Столыпина»

Защита состоится «19» сентября 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» по адресу: 440014, г. Пенза,ул. Ботаническая, 30, ауд. 1246.

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

Авторефератразоспан 15 августа2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кухарев О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В зернопроизводстве России приоритетным направлением является достижение высокой урожайности зерновых культур с применением технологий минимальной и нулевой обработки почвы и использованием агрегатов для прямого посева, обеспечивающие сохранение и воспроизводство плодородия почвы. Используемые для этого широкозахватные, высокопроизводительные посевные, почвообрабатывающе-посевные машины и комплексы агрегатируются с мощными энергонасыщенными тракторами, имеющими высокое удельное давление на почву. Площадь непосредственного уплотнения движителями трактора в среднем составляет 12...16% площади поля. При этом уплотнение достигает до 1 м и более как в глубину почвенного горизонта, так и в поперечном направлении и носит кумулятивный характер. Урожайность зерновых культур на этих участках снижается до 40...70%. Одним из существующих способов борьбы с уплотнением почвенного горизонта движителями тракторов является уменьшение интенсивности их уплотняющего действия на почву посредством создания перед ними верхнего разрыхленного слоя, обладающего демпфирующими свойствами и создаваемого передненавесным почвообрабатывающим орудием. Однако применяемые способы и средства механизации обработки почвы при этом не обеспечивают необходимую несущую и демпфирующую способность разрыхленного верхнего слоя, который не в полной мере снижает уплотнение всего почвенного горизонта.

Поэтому разработка технологического процесса и устройства для создания подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора с сохранением поверхностного стерневого слоя с необходимой несущей способностью, обеспечивающего эффективное снижение уплотнения всего почвенного горизонта, является актуальной научной и практически значимой задачей.

Степень разработанности темы. Для снижения уплотнения почвы разработаны различные способы, предусматривающие, в основном, увеличение площади опорной поверхности движителей тракторов или формирование перед ними разрыхленного верхнего слоя соответственно применением широкопрофильных, арочных, сдвоенных, строенных, с регулируемым давлением шин, пневмо-гусениц, многоосных движителей и передненавесных почвообрабатывающих орудий на трактор, а также других устройств. Однако эти способы увеличивают или площадь уплотнения или интенсивность деформации движителями тракторов верхнего слоя почвы. Поэтому решение данной задачи требует дальнейших теоретических исследований и создание эффективных средств механизации.

Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА» в рамках задания 02.01.03 «Разработать комплекс приоритетной почвообрабатывающей и посевной техники высокого технического уровня с оптимальным набором сменных рабочих органов, адаптированных к различным почвенным условиям», направленной на решение проблемы «Научные основы формирования эффективной системы АПК».

Цель работы - снижение уплотнения почвы разработкой и применением рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя перед движителем трактора.

Задачи исследований: 1. Исследовать уплотняющее действие движителей трактора на почву при прямом посеве по стерневому фону, определить пути его снижения, разработать способ снижения уплотнения созданием подповерхностно-

демпфирующего слоя почвы перед движителями трактора и конструктивно-технологическую схему рыхлителя для его осуществления.

2. Теоретически обосновать зависимость величины нормальных сжимающих напряжений и плотности почвы в почвенном горизонте под движителем трактора от физико-механических свойств подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, его параметров, а также конструктивные, технологические параметры и энергетические показатели рабочих органов рыхлителя.

3. Экспериментально исследовать влияние параметров подповерхностно-демпфирующего слоя почвы на снижение уплотнения почвы движителем трактора и определить рациональные конструктивные, технологические параметры и энергетические показатели рабочих органов, обеспечивающих эффективный технологический процесс работы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы.

4. Провести полевые исследования экспериментального рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора и экономически обосновать эффективность его применения.

Объект исследований - технологический процесс работы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора.

Предмет исследований - параметры снижения уплотнения почвы, конструктивные и технологические параметры, а также энергетические показатели рабочих органов рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы (асимметричная плоскорежущая подрезающая лапка, плоскорежущая асимметричная рыхлительная лапка) и выравнивателя (дисковая батарея).

Научная новизна работы:

- технологический процесс работы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора, конструктивно-технологическая схема и рабочие органы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы и выравнивателя, обеспечивающие снижение уплотнения почвы;

— теоретические зависимости величины нормальных сжимающих напряжений и плотности почвы в почвенном горизонте под движителями трактора от физико-механических свойств подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, его параметров, а также зависимости по обоснованию конструктивных, технологических параметров и энергетических показателей рабочих органов рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы.

Новизна технологического процесса работы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы подтверждена патентом РФ на изобретение № 2453088 «Способ борьбы с уплотнением почвы движителями сельскохозяйственных тракторов».

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований позволили обосновать и разработать рыхлитель подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора. Создание разрыхленного подповерхностно-демпфирующего слоя высотой 0,075 м с сохранением верхнего стерневого слоя высотой 0,08 м позволяет уменьшить границу переуплотняющих напряжений с 0,63 м до 0,39 м. Использование выравнивателя позволяет выровнять поверхность следа трактора и обеспечить заданную глубину заделки семян. Применение экспериментального рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы и выравнивателя на базе трактора «Беларус 1523» в агрегате с посевным агрегатом АУП-18.07 по стерневому фону позволило

снизить плотность почвы в слоях 0,10...0,20; 0,20...0,30; 0,30 .0,40; 0,40...0,50; 0,50...0,60 м соответственно на 0,09; 0,08; 0,06; 0,03; 0,01 г/см и обеспечить прибавку урожайности ярового ячменя «Волгарь» на 0,12 т/га (5,1%) в сравнении с агрегатом: трактор «Беларус 1523» и посевной агрегат АУП-18.07.

Методология и методы исследований. Теоретические исследования рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы проводились на основе базовых положений законов и методов классической механики, математики, механики почво-грунтов, теории клина.

Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторно-полевых и полевых условиях применением метода сравнительных исследований технологического процесса работы экспериментального рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, выравнивателя по параметрам, обеспечивающим снижение уплотнения почвы в соответствии с действующими стандартами, теорией планирования многофакторных экспериментов, стандартными и разработанными частными методиками. Полученные экспериментальные данные статистически обрабатывались с использованием компьютерных программ «Microsoft Office Excel» и «Mathcad».

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- технологический процесс создания подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора, конструктивно-технологическая схема и новые рабочие органы разработанного рыхлителя для его формирования;

- теоретические зависимости величины нормальных сжимающих напряжений и платности почвы в почвенном горизонте под движителями трактора от физико-механических свойств подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, его параметров, а также зависимости по обоснованию конструктивных, технологических параметров и энергетических показателей рабочих органов рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы;

- рациональные конструктивные, технологические параметры и энергетические показатели рабочих органов рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы (ширина захвата крыльев асимметричной плоскорежущей подрезающей лапки, ширина захвата крыльев и угол крошения асимметричной плоскорежущей рыхлительной лапки, расстояния между лапками) и выравнивателя (угол атаки дисковых батарей).

Степень достоверности н апробации результатов. Степень достоверности результатов исследований подтверждается сходимостью результатов расчетов величины снижения нормальных сжимающих напряжений и величины энергозатрат на создание подповерхностно-демпфирующего слоя с результатами лабораторно-полевых и полевых исследований экспериментального рыхлителя по определению влияния конструктивных и технологических параметров его рабочих органов на плотность подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, обеспечивающего снижение уплотнения почвенного горизонта.

Разработанный рыхлитель для разрыхления подповерхностно-демпфирующего и сохранения верхнего стерневого слоев почвы, обеспечивающих снижение уплотнения всего почвенного горизонта, внедрен в ГНУ «Поволжский научно-исследовательский институт селекции и семеноводства им. П.Н. Константинова» Самарской области.

Экспериментальный рыхлитель экспонировался на «XIV Поволжском агропромышленном форуме» 14... 15 сентября 2012 г., где награжден дипломом и золотой медалью.

Основные положения диссертации и результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА» (2007...2013 гг.) и ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2013 г.).

Публикации. По диссертационной работе опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, указанных в «Перечне ... ВАК», получен патент РФ на изобретение, без соавторов опубликована одна статья. Общий объем публикаций составляет 1,74 пл., из них 0,93 п.л. принадлежит автору.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 118 наименований и приложения на 17 с. Работа изложена на 131 е., содержит 5 табл. и 51 рис.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дана общая характеристика работы, представлены основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» выполнен анализ влияния физико-механических свойств почвенного горизонта на уплотняющее действие движителей тракторов; определены основные факторы, обеспечивающие снижение уплотнения; приведен обзор существующих способов и средств механизации воздействия на верхний слой почвы, снижающих интенсивность уплотняющего действия на почвенный горизонт движителями тракторов. Определено, что необходимая несущая и демпфирующая способность верхнего слоя почвенного горизонта являются основными характеристиками почвенного горизонта, снижающими интенсивность его уплотнения движителями тракторов.

Вопросами обеспечения снижения интенсивности уплотняющего действия на почвенный горизонт посвящены результаты теоретических и экспериментальных исследований В.П. Горячкина, Ю.М. Добрынина, А.И. Бараева, Ю.Н. Благодатного, А.Г. Бондарева, Д.И. Бурова, А.Н. Зеленина, Г.И. Казакова, В.В. Кацыгина, Н.И. Кленина, A.M. Кононова, И.В. Королева, В.Н. Кравченко, И.П. Ксеневича, В.М. Кряжкова, К.З. Кухмазова, М.И. Ляско, И.П. Макарова, Э.Ю. Нугиса, И.М. Панова, А.И. Пупонина, В.А. Русанова, А.Н. Садовникова, М.Я. Турушаев, Р.Ш. Хабатова, И.А. Чуданова, В.Н. Шептухова, А.П. Шехурдина, A.A. Юшина и многих других ученых.

Технологический процесс формирования верхнего слоя почвы с необходимой несущей и демпфирующей способностью, обеспечивающий снижение уплотнения всего почвенного горизонта недостаточно изучен, поэтому необходимо проведение дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.

На основании проведенного литературного и патентного обзора научной информации были сформулированы цель и задачи исследований.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование технологического процесса создания подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, конструктивных, технологических параметров и энергетических показателей рабочих органов рыхлителя для его осуществления» разработана конструктивно-технологическая схема рыхлителя с обоснованием его технологического процесса создания подповерхностно-демпфирующего слоя почвы и теоретическими исследованиями влияния параметров последнего на снижение уплотнения почвенного горизонта. Выполнено теоретическое обоснование конструктивных,

технологических параметров, а также энергетических показателей асимметричных плоскорежущих подрезающей и рыхлительной лапок разработанного рыхлителя, а также дисковых батарей выравнивателя.

Рисунок 1 - Рыхлитель подповерхностно-демпфирующего слоя почвы с выравнивателем следа в агрегате с трактором «Беларус 1523»: а) схема агрегата; б) агрегат в полевых условиях; 1;2 -передняя и задняя навески; 3- асимметричные плоскорежущие подрезающие лапки; 4 - асимметричные плоскорежущие рыхлителъные лапки; 5 — опорно-регулировочные колеса; 6; 7- стойки плоскорежущих лапок; 8 - рама трактора; 9 - трактор; 10-гидроцилиндры; 11- дисковые батареи

Рыхлитель подповерхностно-демпфирующего слоя почвы и выравниватель содержат навески 1 и 2 шарнирно соединенные с рамой 8 трактора 9 и оснащены гидроцилиндрами 10 для перевода их в рабочее и транспортное положения (рисунок 1). Рыхлитель содержит парные асимметричные плоскорежущие подрезающие лапки 3 и установленные за ними, по направлению движения, глубже парные асимметричные плоскорежущие рыхлительные лапки 4, стойки лапок 6;7 расположены в вертикальной плоскости по краям следов колес трактора 9.

В процессе создания рыхлителем подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед каждым колесом трактора асимметричные плоскорежущие подрезающие лапки подрезают и приподнимают на минимальную высоту поверхностный стерневой слой без рыхления, с сохранением несущей способности (рис. 2). Одновременно перемещаясь следом на расстоянии, асимметричные плоскорежущие рыхлительные лапки осуществляют рыхление расположенного глубже подповерхностного слоя без сгруживания с минимальным воздействием на верхний слой. За счет разрыхления подповерхностный слой почвы приобретает повышенную демпфирующую способность. Движущиеся после рабочих органов рыхлителя колеса трактора действует на связанный остатками растений поверхностный сплошной, неразрыхленный слой почвы с сохраненной несущей способностью и через него на разрыхленный подповерхностно-демпфирующий слой. В результате более равномерного распределения удельного давления колес на верхний неразрыхленный слой и компенсации деформации сжатия разрыхленным подповерхностно-демпфирующим слоем обеспечивается снижение уплотнения всего почвенного горизонта. Почву в следах колес трактора рыхлят и выравнивают дисковые батареи выравнивателя.

V г-1

Ьк~0.05м

\0 □ ^ Ч^Ф^^^пО чц

Рисунок 2 - Технологический процесс создания подповерхностно-демпфирующего слоя почвы с последующим выравниванием следа: 1 - работа асимметричной плоскорежуи(ей подрезающей лапки; 2 — работа асимметричной плоскорежущей рыхлителъной лапки; 3 — взаимодействие колеса трактора с поверхностным неразрыхленным стерневым и подповерхностно-демпфирующим слоями почвы; 4 -работа дисковой батареи

Создание перед движителем разрыхленного подповерхностно-демпфирующего слоя толщиной 1д на определенной глубине /гр, под верхним стерневым не разрыхляемым, уменьшает контактное напряжение аод колеса на почву за счет сохраненной несущей способности, более равномерного распределения напряжения аод в нем и меньшего периода воздействия через последний на ниже расположенный на величину времени необходимую для деформации разрыхленного слоя до уровня плотности не разрыхляемого верхнего. Распределение нормального сжимающего напряжения под

движителем трактора , в соответствии с исследованиями В.В. Кацыгина, можно представить следующим уравнением кусочно-непрерывной функции:

<*ы> 'е если Ь^Ьр-'г

^-е-"^ если Нр-1д <И,<Ир (1)

-Дд''„-0 -АЛ -АЛ-',) ; I

аод ■ е -е ' е , если я, > пр

Плотность почвы ни I - ой глубине:

Рисунок 3 - Схема расположения верхнего неразрыхляемого стерневого и подповерхностно-демпфирующего слоев почвы и их параметры

Рм = РоЫ i 1 +

-A,-(A.-'i) -A.-'d -А,4*/-*») ■е ■ е ■ е

(2)

где - контактное давление движителя на почву при наличии демпфируще-го слоя, кПа; Д,, Рр - коэффициенты распределения нормальных напряжений, м-1; /г, - глубина почвенного горизонта, м; роЫ - плотность почвы на £ -ой глубине почвенного горизонта до прохода движителя трактора, кг/м ; к - коэффициент объемного смятия почвы, Н/м .

В процессе работы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя подрезающая плоскорезная лапка с минимальным углом крошения /?л, подрезает поверхностный стерневой слой почвы на глубине к]п, частица которого движется после схода с рабочей поверхности по определенной траектории, достигает максимальной высоты подъема уЛ]та< в первой ее половине и перемещается во второй до минимального значения по высоте.

Рисунок 4-Схема технологического процесса работы подрезающе-рыхлительного почвообрабатывающего комбинированного рабочего органа рыхлителя

Ордината траектории движения частицы почвы по подрезающей плоскорежущей лапке определится зависимостью с учетом разницы их глубин хода (Л,2 - ^.,1) при приведении системы координат первой лапки ко второй:

+ (Лл?-Лл1). (3)

У.;1

= Va-

-+Л,

sin (Pm+iyjn)

Максимальную ординату траектории движения частицы почвы по рыхли-тельной плоскорежущей лапке, можно выразить зависимостью учитывающей разрыхление слоя почвы с исходной толщиной (^-h^:

Улгтх = Va-

Ksin"рлг

-+/„,• sin /Зт + (h„ 2 — h:il)

si +

(4)

. . 0 , ,2 ' -Л2 ----r-iXi - sin

Приравняем ординаты траекторий движения частиц почвы в точке встречи верхнего не разрыхляемого и нижнего разрыхляемого слоев почвы и, выражая время движения частицы почвы t с учетом скорости агрегата Va, получим теоретическую зависимость оптимального расстояния по направлению движения между подрезающей и рыхлительной плоскорежущими лапками:

Ln = Va-

У л 1 max У J12 max -(Кг-Ю

sin (Pm+Vju) sin р

+ (hm~hm)

(5)

где д - ускорение свободного падения, м/с"; £ - время движения частицы почвы, с; трД2 - угол скола почвы, град.

Подрезающая плоскорежущая лапка содержит два плоскорежущих крыла 4, крепящиеся по бокам к вогнутой части стойки 1, в нижней части которой расположен долотообразный наральник 2, работающий как двухгранный клин. Выше наральника, по середине фронтальной вогнутой части стойки закреплен вертикальный трехступенчатый плоский нож 3 с острой режущей кромкой (рис. 5). Плоскорежущие крылья 4, с минимальным углом крошения 10°, закреплены в горизонтальной плоскости по бокам стойки 1 на уровне середины высоты трехступенчатого ножа 3.

Тяговое сопротивление подрезающей плоскорежущей лапки Р„„ определится как сумма сопротивлений на перемещение в почве ее составных рабочих элементов: долотообразного наральника Ри, вертикального трехступенчатого плоского ножа Ртн с острой режущей кромкой, стойки подрезающей лапы Рспл, расположенных по обе стороны от вертикального трехступенчатого плоского ножа и плоскорежущих крыльев Рт:

Р„л = Рн + Ртн + Рс„„ + Рю. (6)

Сопротивление перемещению долотообразного наральника Р„ в почве можно определить как сумму сопротивлений: лезвия Рт, фронтальной части РфН с углом крошения /?„ и его боковых граней Рнб, (см. рис 2.6):

Рн = Рт + Р<ь„ + 2 Рн6- (7)

Рисунок 5 — Подрезающая плоскорежущая лапка: 1—стойка; 2— наральник стойки; 3—трехступенчатый плоский нож; 4—крыло подрезающей лапки

Величина сопротивлений лезвия наральника Рлн определится выражением

Р,Ш ®сж ' ^ЛИ ' tjiHI

где асж — напряжение сжатия почвы лезвием, Па; 1„„ - длина лезвия наральника, м; t.,„ - толщина лезвия наральника, м.

На основании исследований В.П. Горячкина и А.Н. Зеленина, величина фронтального сопротивления перемещению долотообразного наральника Рн, с учетом сопротивления лезвия наральника Рлн, определится по формуле:

Ioti'Cds (1-sillO?,, + 2<$

Р — !

фн н

■ + <т.

I.

(9)

где тгтх - максимальное сдвигающее напряжение, Па; ц - угол внутреннего трения почвы, град; 1„ - длина рабочей поверхности долотообразного наральни-ка, м; Ь„ - ширина рабочей поверхности долотообразного наральника, м.

Сопротивление боковых граней долотообразного наральника Р„5 на преодоление бокового давления стенки борозды при перемещении определится с учетом экспериментальных исследований:

Риб = 2 ■ pt ■ hic„ ■ tg2 (45° - f) • 0,5 • 1бн ■ hs„ ■ t g<p, (10)

где Pi - плотность почвы i - го слоя почвы, кг/м3; Ss„ - площадь боковой грани долотообразного наральника, м2; hk.„ - высота i - го слоя почвы, м; hSll - высота боковой треугольной грани долотообразного наральника, м; 1бн - длина боковой грани долотообразного наральника, м.

Величина сопротивления стойки подрезающей лапы Рспл включает сопротивление фронтальных Рфс и боковых РДст частей стойки, расположенных по обе стороны от вертикального трехступенчатого плоского ножа.

Сопротивление фронтальных частей стойки

"фс ~ ¿ ' '■фс ' ®бфс ' //Злс+ф+и\ ' ^ '

cos ер-cos I у -1

где Гтя,. - предельное напряжение почвы на сдвиг, Па; 1,,1С - длина фронтальной части стойки, м; Ьбфс - ширина фронтальной части стойки сбоку от трехступенчатого ножа, м.

Сопротивление боковых частей стойки

Р5ст = 2-Pi- hic„ ■ tg2 (45o - I) ■ 1фе ■ bScn -t дер. (12)

Тяговое сопротивление вертикального трехступенчатого плоского ножа Рти с режущей кромкой включает сопротивления: резанию тремя режущими кромками PKHi с углом резания Ррк = 35°, сопротивление деформации Рфг„ фронтальными и трению Рбг„ боковыми гранями ножа.

Сопротивление режущей кромки вертикального трехступенчатого плоского ножа

PKHi = °сж ■ 1.Ш1 ■ Ь,н COS Ррк, (13)

где 1яи1 - длина режущей кромки каждой ступени вертикального ножа, м. Сопротивление деформации фронтальными гранями ножа

(2 ■ 1ф,„ ■ Ъф,н ■ [/с + 0.1 • — • . VA Л

[cos (90 - -J • cosppK + t дер ■ cos - • cos^.J J где k - удельное сопротивление, Па; g - ускорение свободного падения, м/с ; vp - рабочая скорость (резания); 1фгн; Ьфгн - длина и ширина фронтальной грани трехгранного ножа.

Сопротивление трению боковыми гранями ножа

Р*и = [íhen ■ hun • tg" (45° - • \hlu -ilH\-tffp] + + [pza, ■ h2cn ■ tg2 (45° - f) • |2 • h2H ■ l2l, + (h2H - hlH) ■ l2H\ ■ tgp ] +

+ [ft™ • h3c„ ■ tg2 (45° - f) ■ \h3„ -l3HI • tgp ], (15)

где hlH, h2„, h3„ - максимальная высота i - ой ступени трехступенчатого плоского ножа, м; lln, l2„, L3„ ~ длина i - ой ступени трехступенчатого плоского ножа, м.

11

Рисунок 6 - Схема сил, действующих на крыло подрезающей лапки

Для обоснования тягового сопротивления крыла подрезающей плоскорежущей лапки РКД рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы применим принцип Даламбера к системе действующих сил на рабочую поверхность плоскорежущего крыла лапки и, приложив силу инерции покоя подрезаемого слоя почвы <2и1, можно записать уравнение в векторной форме:

+ Р» + М, + £ + С, + =0. (16)

Разложив составляющие уравнения и, решив его относительно тягового сопротивления крыла подрезающей лапки, итоговое уравнение (16) примет вид:

■I,

_

<' я1П

vl -Р„,

•SilA-1 + ft-/,

■ Ьм •h„c-g ■

я =_si4 ¿i-hp )___

ln cos(90- ft) -cos (SO - y)+t grp-cos(90- у) с

_ (_si nQ + -й_">

lcos(90 -ft) cos(SD - у)+ t&pcos(90 -y)J '

¿I

A,'

(17)

A,

Л-Зл —

—

cos(90 -ft.) cos(SD - $ + t^cos(90 -y)J sinfii

_2_ .

cos(90- ft)-cos(90 -Y)+t gip-cosOO- y) 1

s(fii)+ tiwsin

COS(/?!)+t pip-sin

cos(ft1)+t g<p-san

Рыхлительная лапка имеет крылья различной ширины захвата: меньшее к краю следа, большее к середине следа. Это с учетом направления линии поперечного скола под углом j = <р по B.C. Жегалову, определяет его ширину захвата Ькк и длину I Общее тяговое сопротивление рыхлительной плоскорежущей лапки составляет

Р = Р, + Р~ 4- Р

1 р.1 1 фср.1 1 1 оср. 7 1 крх

+ Р -

I 1 1 крло•

(18)

Тяговое сопротивление боковых и фронтальных поверхностей стойки рыхлительной лапки

Р6срл = 2 ■ рпс ■ С/ (45° - ■ Ьбс ■ 1д<р • {( кпс + К)2 + - К)2}; (19)

~фсрл

Ьфс ■ i(hc + h„) + (hd - hH)},

(20)

где I ксл - расстояние от стойки до края следа трактора, м; Укс - расстояние от края крыла лапки до края следа трактора, м; Ь ЦС1 - расстояние от стойки до центра следа трактора, м; \7ЦС - расстояние от края крыла лапки до центра следа трактора, м; Ь бс — ширина боковой части стойки м; /г„ - высота наральника стойки подрезающей лапки,м; р„с, рЛс - плотность почвы поверхностного и демпфирующих слоев почвы, кг/мэ; Ь фс - ширина фронтальной части стойки м; ксж - сопротивление почвы сжатию. Па.

в

Сопротивление перемещению рыхлительной лапки можно определить соответствии с формулой (17), используя конструктивные параметры крыльев. Для чего рассчитываются константы А1р и определяются сопротивления для малого Ркр.ш и большего Ркрпб крыльев рыхлительной лапки:

Р,

,-р.пб '

яп У> К

(Осж ■ и, ■ гт; - 2 • • Рас ■ Ьас ■ Р' ~

Я, р

+Р1 ■ • НЛс ■ д-^-

л,.

(21)

д _ _5\п(Р2+<р)___ССВ ( 02-ир )

ГДе гР ~~ с05(90 -й)-со5(90- у) + Сдсрсоь(90 -у) соз(/?2)+Сд<р-яп ¡¡2

_ Г_чу)_I _ д _ _1_

2Р ~~ 1ссб (9) - й) 'С05(90 -у)+ Сд^>С05{<а - ))] ' 4р соз(/?2) + [даяп Д2

—

|со5(90 -й)'СО5(90- у)+ ^соз(90 -у) соз(/32)+ Сдаяп /?2

Например, если I КСД= 0,14 м; Укс = 0,027 м; Ь цсл =0,16 м; Чпс = 0,037 м; Ъ ,-,с = 0,06 м; Ь фс = 0,025м; ксж = 0,5-103 Па; /?2= 12°; у = 34°; <р = 25°; 0 = 40°; }1а = 0,075 м, то при рабочей скорости 2 м/с, тяговое сопротивление рыхлительной лапки составит 466 Н.

Составляющие тягового сопротивления представляют аналитические выражения, отражающие конструктивные, технологические особенности рабочих органов, условия рабочего процесса и физико-механические свойства почвы.

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложена общая программа и методики по определению параметров подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, рациональных конструктивных, технологических параметров и энергетических показателей рабочих органов рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы.

Программа исследований включала: лабораторно-полевые исследования уплотняющего действия движителей трактора на сренесуглинистый среднемощ-ный чернозем по стерневому фону при прямом посеве; а также обоснование параметров подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, рациональных конструктивных, технологических параметров и энергетических показателей асимметричной плоскорежущей подрезающей лапки, асимметричной плоскорежущей рыхлительной лапки рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы и дисковой батареи выравнивателя; полевые исследования по оценке влияния подповерхностно-демпфирующего слоя на снижение уплотнения почвенного горизонта движителями трактора.

Лабораторно-полевые исследования включали: - определение влияния уплотняющего действия движителей трактора на сренесуглинистый среднемощный чернозем со стерневым фоном при прямом посеве по оценочным показателям: нормальным. сжимающим напряжениям, плотности, твердости, глубине следа; -обоснование высоты, ширины и глубины расположения подповерхностно-демпфирующего слоя почвы; - определение рациональных параметров углов крошения, ширины захвата и энергетических показателей асимметричных плоскорежущих подрезающих и рыхлительных лапок рыхлителя, а также угла атаки дисковых батарей выравнивателя.

Полевые исследования предусматривали количественную оценку влияния параметров высоты, ширины и глубины расположения подповерхностно-

демпфирующего и поверхностного не разрыхляемого стерневого слоев почвы, на снижение уплотнения почвенного горизонта движителями трактора.

Лабораторно-полевые и полевые исследования, кроме нормального сжимающего напряжения, проводились по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 20915-2011, ГОСТ 28268-89, СТО АИСТ 4.2- 2010, СТО АИСТ 4.6-2010, ГОСТ Р 52777-2007 и ГОСТ Р 52778-2007. Статистическая обработка полученных результатов проводилась на ПЭВМ с помощью компьютерных программ «Mathcad» и «Microsoft Office Excel».

Для определения параметров нормального сжимающего напряжения в почвенном горизонте под движителем трактора применялась частная методика с применением информационно-измерительной системы ИП-264 ФГБУ «По-

Рисунок 7- Лабораторно-полевые исследования параметров нормального сжимающего напряжения в почвенном горизонте под движителем трактора «Беларус 1523»: а) -расположение шурфа для датчиков; б) - закладка датчиков давления в шурфе Для этого отрывался шурф необходимой глубины (рис. 7-а), в его боковой вертикальной стенке выполнялось углубление в поперечном направлении на необходимой глубине и в вертикальном положении фиксировался датчик (рис. 7-6). Датчики устанавливались по одной продольной линии, которая обозначалась по поверхности поля шнуром. После закладки датчиков почва в шурфе уплотнялась до исходного состояния, после чего показания датчиков давления устанавливались на нулевую отметку. При измерении напряжения, колеса трактора двигались точно по расположению ранее установленного шнура над датчиками давления.

В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены результаты экспериментальных исследований, обоснованные на основе анализа полевых и лабораторно-полевых исследований.

Для обеспечения формирования эффективного подповерхностно-демпфирующего слоя и поверхностного стерневого слоя с сохраненной несущей способностью были проведены экспериментальные исследования с использованием методики многофакторного планирования по определению влияния на уплотнение почвы следующих значимых факторов: толщина поверхностного стерневого слоя /?,„ толщина подповерхностно-демпфирующего слоя Ь^ расстояние от края следа до направления движения стоек подрезающей и рыхлительной лапок 5К. После обработки данных получено уравнение регрессии:

р = —14,65йд - 21,25 + 100hl + 77,5S2 + 3,1175.

14

Расстояние от края следа до стойки лапы, м

Рисунок 8 - Зависимость плотности почвы р в основании подповерхностно-демпфирующего слоя от высоты поверхностного стерневого слоя И,ъ высоты подповерхностно-демпфиующего слоя /г<у, при расстояние от края следа до направления движения стоек подрезающей и рыхлительной лапок Зк

Раскодированный вид

уравнения регрессии (22) позволил графически построить поверхность отклика (рис.8) и по ней оценить влияние факторов на уплотнение почвы, и определить их рациональные значения. Установлено, что минимальное значение плотности 1,14 г/см3 в слое почвы 0,15...0,20 м под колесом трактора достигаются при значении толшдны поверхностного стерневого слоя Н„ = 0,08 м, оптимальное значение толщины подповерхностно-демпфирующего слоя составляет ЬД = 0,073 м и расстояние от края следа трактора до направления движения стоек подрезающей и рыхлительной лап по следу 8 = 0,137 м.

О)

х 4200

х

01

ё 4000 £

° 3800 с;

3 3600

си

о

§ 3400 к

3000

1,8 2 2,3 2,6 Скорость, м/с — — Тяговое сопротивление рыхлителя, Н (теор) ............Тяговое сопротивление рыхлителя, Н (эксп)

Тяговое сопротивление рыхлителя с выравнивателем (эксп)

600 1—|—г—,—|—|—

у = 27,953х2 - 11,667х + : 500

5 400

с; со

29,199х2 - 40,833х + 320,75

МММ

у = 1,9685х2 + 28,333х + 92,882

1,9 2,1

Скорость, М/С

—— —Тяговое сопротивление рыхлительной лапы, Н

(теоретическая) —Тяговое сопротивление рыхлительной лапы, Н (экспериментальная)

-Тяговое сопротивление выравнивателя, Н

(экспериментальная) — —Тяговое сопротивление подрезающей лапы, Н (теоретическая)

-Тяговое сопротивление подрезающей лапы, Н

(экспериментальная)

Рисунок 9 — Тяговое сопротивление асимметричных подрезающей и рыхлительной лапок и дисковой батареи выравнивателя в зависимости от скорости агрегата

Рисунок 10 — Суммарное тяговое сопротивление рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы и выравнивателя

4600

Проведена оценка энергоемкости исследуемого технологического процесса создания подповерхностно-демпфирующего слоя почвы экспериментальным рыхлителем. Тяговое сопротивление подрезающей асимметричной плоскорежущей лапки, при глубине хода 0,08 м, с повышением скорости от 1,8 до 2,6 м/с, увеличивается с 340 до 413 Н (рис. 9). При работе рыхлительной плоскорежущей асси-метричной лапки, движущейся за подрезающей лапкой и обрабатывающей слой почвы толщиной 0;075 м, тяговое сопротивление увеличивается с 430 до 522 Н при возрастании скорости от 1,8 до 2,6 м/с. При изменении скорости движения дисковой батареи выравнивателя от 1,8 до 2,6 м/с, работающей с углом атаки /?6 = 18°, тяговое сопротивление увеличивается с 150 до 180 Н.

Суммарное тяговое сопротивление рыхлителя с новыми рабочими органами и выравнивателем на скоростях от 1,8 до 2,6 м/с и составляет 3680.. .4460 Н, (см. рис. 10).

Глубина I орнзоктэ

Г /

/

'"Ч /

ч/

ОД 0.3 0.4 0.5 Сдои почвы, м

0.6

—'— Плотность почвы весной лостеркевсму фону до прохода трактора

-О— ПЛОТНОСТЬ ПОЧВЫ ВССНОЙ : ПОЛДОЕйрХНОСТНО-Ж-МПфНруЮЩКУ

слоем по стерневому фону —О-Итоткостъпочвк ЕССВОЙ сг-одпов:рхаостна-дсм14кр;.тсл1гм слое5Д после прохода трактора Беларус-1523 - Шотеость почвы весной по стерневому фону посте прохода трактора Беларус-] 523

--Пло-п10ствпонвысподпоЕерхностно-деш1фнрующнмслое«

после прохода трактора теоретнчгскаЕ

Рисунок 11 - Распределение нормального сжимающего напряжения в почвенном горизонте под движителем трактора «Белорус 1523» без подповерхностно-демпфирующего слоя и с ним

Рисунок 12 - Плотность почвы после прохода трактора «Белорус 1523» по стерневому фону без обработки и с применением подповерхностно-демпфирующего слоя.

Результаты оценки нормального сжимающего напряжения в почвенном горизонте под движителем трактора «Беларус 1523» во время весеннее-полевых работ на поле по стерневому агрофону без подповерхностно-демпфирующего слоя и с подповерхностно-демпфирующем слоем показали уменьшение напряжений, (рис. 11), на глубинах 0,15; 0,25; 0,35; 0,45; 0,55; 0,65 м соответственно с 122 до 68; с 80 до 39; с 63 до 25; с 50 до 19; с 28 до 8; с 17 до 3 кПа. Причем граница переуплотняющих напряжений уменьшилась с 0,63 м до 0,39 м.

Уменьшение нормальных сжимающих напряжений в почвенном горизонте под движителем трактора «Беларус 1523» обеспечило существенное снижение уплотнения почвенного горизонта в слоях 0,10...0,20; 0,20...0,30; 0,30...0,40; 0,40...0,50; 0,50...0,60 м соответственно на 0,09; 0,08; 0,06; 0,03; 0,01 г/см3 и

граница уплотнения уменьшалась до слоя 0,50...0,60 м (рис. 12). Гребнистость поверхности по следу трактора «Беларус 1523» с применением выравнивателя составила ±0,02 м, средняя глубина заделки семян 0,062 м.

В пятом разделе «Экономическое обоснование применения разработанного рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя перед движителем трактора при прямом посеве» выполнены экономические расчеты, обосновывающие эффективность использования экспериментального рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя перед движителем трактора при прямом посеве. Применение экспериментального рыхлителя и выравнивателя в агрегате с трактором «Беларус 1523», и посевным агрегатом АУП-18.07 в сравнении с агрегатом, состоящим из трактора «Беларус 1523» и посевного агрегата АУП-18.07, обеспечило прибавку урожайности ярового ячменя «Волгарь» на 0,12 т/га. Годовой экономический эффект от повышения урожайности составил 209890 руб. или 695 руб./га.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании исследований уплотняющего действия движителя трактора «Беларус 1523» на почву по стерневому фону установлено, что поверхностный слой почвы, обработанный КПИР-3,6 на глубину 0,14 м, по сравнению с необработанным слоем, обладает лучшими демпфирующими свойствами. Разница на глубине 0,15; 0,25; 0,35 м составила 0,03; 0,04; 0,03 г/см3. Для повышения демпфирующих свойств поверхностного слоя необходимо сохранение его несущей способности. Для эффективного снижения уплотнения почвенного горизонта разработан и запатентован способ создания подповерхностно-демпфирующего слоя перед движителями трактора с сохранением поверхностного стерневого слоя и обоснована для его создания конструктивно-технологическая схема рыхлителя с новыми рабочими органами.

2. В результате теоретических исследований получены аналитические зависимости снижения уплотнения почвы движителями трактора от физико-механических свойств и параметров подповерхностно-демпфирующего слоя почвы; зависимости для определения конструктивных, технологических параметров и энергетических показателей рабочих органов рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы (асимметричных плоскорежущих подрезающих и рыхлительных лапок).

3. Лабораторно-полевые исследования позволили определить рациональные параметры подповерхностно-демпф1фующего слоя почвы: толщина подловерхносшо-демпфирующего слоя 0,075 м, толщина поверхностного стерневого слоя 0,08 м, расстояние от края следа трактора до направления движения стоек подрезающей и рыхлительной лапок по следу 0,14м, уменьшающего глубину переуплотняющего действия на 0,24 м по сравнению со стерневым агрофоном. Рациональные конструктивные и технологические параметры: подрезающей лапки - ширина захвата большего крыла 0,14 м, меньшего крыла 0,12 м, тяговое сопротивление при рабочих скоростях от 1,8 до 2,6 м/с увеличивается с 340 .до 413 Н; рыхлительной лапки - ширина захвата большего крыла 0,14 м, меньшего крыла 0,11 м, угол крошения /?2 = 12°; расстояние по направлению движения между рыхлительной лапкой и подрезающей 1Л = 0,30 м, тяговое сопротивление при рабочих скоростях от 1,8 до 2,6 м/с увеличивается с 430.до 522 Н; батареи выравнивателя - угол атаки 18°, тяговое сопротивление при рабочих скоростях от 1,8 до 2,6 м/с увеличивается с 158 до 175 Н. Тяговое сопротивление экспериментального рыхлителя с выравнивателем в агрегате с трактором «Беларус 1523» на скорости 2 м/с - 3890 Н; с посевным агрегатом АУП 18.07 на скорости 2,1 м/с - 27900 Н.

4. Полевые исследования экспериментального рыхлителя в производственных условиях показали: гребнистость поверхности по следу трактора после прохода агрегата составила ±0,02 м, средняя глубина заделки семян 0,062 м, уплотнение почвы в слоях от 0,10...0,20 до 0,50...0,60 м снизилось соответственно на 0,09; 0,08; 0,06; 0,03; 0,01 г/см3. Применение экспериментального рыхлителя подповерхностно-демпфирую-щего слоя и выравнивателя в агрегате с трактором «Беларус 1523» и посевным агрегатом АУП 18.07 при прямом посеве ярового ячменя в сравнении с агрегатом, состоящим из трактора «Беларус 1523» и посевного агрегата АУП 18.07, обеспечило прибавку урожайности на 0,12 т/га (5,1%). Годовой экономический эффект от повышения урожайности составил 209890 руб. или 695 руб./га.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Сысоева, Р.Ю. Теоретическое исследование напряженно-деформируемого состояния почвы от движителя трактора / Р.Ю. Сысоева // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. — Самара, 2011. - Вып. №3. - С.37-39.

2. Сысоева, Р.Ю. Теоретическое обоснование конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающего подрезающе-рыхлящего комбинированного рабочего органа / Р.Ю. Сысоева, М.А. Петров // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. — Самара, 2011. -Вып. №3.-С.62-65.

Патенты РФ на изобретения , 3. Пат. № № 2453088 Российская Федерация, МПК А01В 37/00. Способ борьбы с уплотнением почвы движителями сельскохозяйственных тракторов / A.M. Петров, М.Р. Фатхутдинов, Р.Ю. Сысоева, М.А. Петров; заявитель и патентообладатель Самарская гос. с.-х. академия - № 2010153245/13; заяв. 24.12.2010; опубл. 20.06.2012, Бюл. № 17.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

4. Петров, A.M. Анализ исследований по изучению механизма уплотнения почвы ходовыми системами тракторов / A.M. Петров, Р.Ю. Савельева // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии.—Самара, 2007. — Вып. №3. - С.50-52.

5. Сысоева, Р.Ю. Анализ существующих средств механизации уменьшения глубины переуплотнения почвы / Р.Ю. Сысоева, А.М. Петров // Молодые ученые АПК Самарской областихборник научых трудов. - Самара: РИЦ СГСХА, 2010. - С. 131-134.

6. Петров, A.M. Результаты экспериментальных исследований снижения уплотняющего действия движителей тракторов применением подповерхностно-демпфирующего слоя почвы / А.М.Петров, Р.Ю. Сысоева // Повышение управленческого, экономического, социального и инновационно-технического потенциала предприятий, отраслей и народнохозяйственных комплексов: сб. статей V международной научно-практической конференции. - Пенза: МНИЦ ПГСХА, 2013. - С. 99-103.

7. Петров, А.М. Результаты лабораторно-полевых исследований по энергооценке рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы / А.М.Петров, Р.Ю. Сысоева // Повышение управленческого, экономического, социального и инновационно-технического потенциала предприятий, отраслей и народнохозяйственных комплексов: сб. статей V международной научно-практической конференции.- Пенза: МНИЦ ПГСХА, 2013.-С. 103-106.

Подписано в печать 03.07.2013 г. Формат 60x84/16.Объем 1 п.л. Тираж 100. Заказ Отпечатано с готового оригинал-макета в Пензенской мини-типографии Свидетельство № 5551 440600, г. Пенза, ул. Московская, 74

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................7

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.....13

1.1 Анализ влияния основных факторов, определяющих уровень уплотняющего действия движителей тракторов на почву......13

1.2 Обзор существующих способов снижения интенсивности

уплотняющего действия движителей тракторов...................17

1.3 Средства механизации для снижения интенсивности

уплотняющего действия движителей тракторов.........................22

1.4. Анализ исследований технологического процесса снижения

интенсивности уплотняющего действия движителей тракторов

на почву.......................................................................30

Выводы, цель и задачи исследований.......................................33

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАБОТЫ РЫХЛИТЕЛЯ ПОДПОВЕРХНОСТНО-ДЕМПФИРУЮЩЕГО СЛОЯ ПОЧВЫ, ЕГО КОНСТРУКТИВНЫХ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ.......................................................................35

2.1 Обоснование и разработка технологического процесса работы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора........................................................35

2.2 Разработка конструктивно-технологической схемы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы....................37

2.3 Теоретическое исследование снижения уплотнения почвенного горизонта применением подповерхностно-демпфирующего слоя почвы.............................................................................39

2.4 Теоретическое обоснование конструктивных и технологических

параметров подрезающих и рыхлительных плоскорежущих лапок рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя

почвы.............................................................................43

2.5 Обоснование тягового сопротивления подрезающих и

рыхлительных плоскорежущих лапок рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы.........................................48

2.5.1 Обоснование тягового сопротивления подрезающей плоскорежущей лапки...........................................................48

2.5.2 Обоснование тягового сопротивления рыхлительной

плоскорежущей лапки.................................................57

Выводы...............................................................................60

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕД ОВАНИЙ......................................................................62

3.1 Программа экспериментальных исследований.....................62

3.2 Методика лабораторно-полевых исследований уплотняющего действия движителей трактора «Беларус 1523» в зависимости от состояния верхнего слоя почвы......................................63

3.2.1 Методика определения физико-механических свойств почвы......................................................................63

3.2.1.1 Методика определения влажности почвы.............63

3.2.1.2 Методика определения твердости почвы..............66

3.2.1.3 Методика определения плотности почвы..............67

3.2.2 Методика определения нормальных сжимающих

напряжений в почвенном горизонте под

движителем трактора................................................68

3.2.3 Методика профилирования поверхности поля...............70

3.3. Методика лабораторно-полевых исследований по обоснованию

параметров подповерхностно-демпфирующего и верхнего стерневого слоев почвы....................................................71

ВВЕДЕНИЕ

В зернопроизводстве России приоритетным направлением является достижение высокой урожайности зерновых культур с применением технологий минимальной и нулевой обработки почвы и использованием агрегатов для прямого посева, обеспечивающих сохранение и воспроизводство плодородия почвы, [69]. Используемые для этого широкозахватные, высокопроизводительные посевные, почвообрабатывающе-посевные машины и комплексы агрегатируются с мощными энергонасыщенными тракторами, имеющими высокое удельное давление на почву. Площадь непосредственного уплотнения движителями трактора в среднем составляет 12... 16% площади поля. При этом уплотнение достигает до 1 м и более, как в глубину почвенного горизонта, так и в поперечном направлении и носит кумулятивный характер, [52]. Урожайность зерновых культур на этих участках снижается до 40...70%, [9; 52; 85]. Одним из существующих способов борьбы с уплотнением почвенного горизонта движителями тракторов является уменьшение интенсивности их уплотняющего действия на почву посредством создания перед ними верхнего разрыхленного слоя, обладающего демпфирующими свойствами и создаваемого передненавесным почвообрабатывающим орудием. Однако применяемые способы и средства механизации обработки почвы при этом не обеспечивают необходимую несущую и демпфирующую способность разрыхленного верхнего слоя, который не в полной мере снижает уплотнение всего почвенного горизонта.

Поэтому разработка технологического процесса и устройства для создания

у

подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора с сохранением поверхностного стерневого слоя с необходимой несущей способностью, обеспечивающего эффективное снижение уплотнения всего почвенного горизонта, является актуальной научной и практически значимой задачей.

Степень разработанности темы. Для снижения уплотнения почвы разработаны различные способы, предусматривающие, в основном, увеличение площади опорной поверхности движителей тракторов или формирование перед ними разрыхленного верхнего слоя соответственно применением широкопрофильных, арочных, сдвоенных, строенных, с регулируемым давлением шин, пневмогусениц, многоосных движителей и передненавесных почвообрабатывающих орудий на трактор, а также других устройств. Однако эти способы увеличивают или площадь уплотнения или интенсивность деформации движителями тракторов верхнего слоя почвы. Поэтому решение данной задачи требует дальнейших теоретических исследований и создание эффективных средств механизации.

Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА» в рамках задания 02.01.03 «Разработать комплекс приоритетной почвообрабатывающей и посевной техники высокого технического уровня с оптимальным набором сменных рабочих органов, адаптированных к различным почвенным условиям», направленной на решение проблемы «Научные основы формирования эффективной системы АПК».

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Снижение уплотнения почвы разработкой и применением рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя перед движителем трактора. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:

1. Исследовать уплотняющее действие движителей трактора на почву при прямом посеве по стерневому фону, определить пути его снижения, разработать способ снижения уплотнения созданием подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителями трактора и конструктивно-технологическую схему рыхлителя для его осуществления.

2. Теоретически обосновать зависимость величины нормальных сжимающих напряжений и плотности почвы в почвенном горизонте под движителем трактора от физико-механических свойств подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, его параметров, а также конструктивные, технологические параметры и энергетические показатели рабочих органов рыхлителя.

8

3. Экспериментально исследовать влияние параметров подповерхностно-демпфирующего слоя почвы на снижение уплотнения почвы движителем трактора и определить рациональные конструктивные, технологические параметры и энергетические показатели рабочих органов, обеспечивающих эффективный технологический процесс работы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы.

4. Провести полевые исследования экспериментального рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора и экономически обосновать эффективность его применения.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИИ. Технологический процесс работы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора. ___

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИИ. Параметры снижения уплотнения почвы, конструктивные и технологические параметры, а также энергетические показатели рабочих органов рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы (асимметричная плоскорежущая подрезающая лапка, плоскорежущая асимметричная рыхлительная лапка) и выравнивателя (дисковая батарея).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:

- технологический процесс работы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора, конструктивно-технологическая схема и рабочие органы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы и выравнивателя, обеспечивающие снижение уплотнения почвы;

- теоретические зависимости величины нормальных сжимающих напряжений и плотности почвы в почвенном горизонте под движителями трактора от физико-механических свойств подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, его параметров, а также зависимости по обоснованию конструктивных, технологических параметров и энергетических показателей рабочих органов рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы.

Новизна технологического процесса работы рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы подтверждена патентом РФ на изобрете-

ние № 2453088 «Способ борьбы с уплотнением почвы движителями сельскохозяйственных тракторов».

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Результаты проведенных исследований позволили обосновать и разработать рыхлитель подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора. Создание разрыхленного подповерхностно-демпфирующего слоя высотой 0,075 м с сохранением верхнего стерневого слоя высотой 0,08 м позволяет уменьшить границу переуплотняющих напряжений с 0,63 м до 0,39 м. Использование выравнивателя позволяет выровнять поверхность следа трактора и обеспечить заданную глубину заделки семян. Применение экспериментального рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы и выравнивателя на базе трактора «Беларус 1523» в агрегате с посевным агрегатом АУЛ-18.07 по стерневому фону позволило снизить плотность почвы в слоях 0,10...0,20; 0,20...0,30; 0,30...0,40; 0,40...0,50; 0,50...0,60 м соответственно на 0,09; 0,08; 0,06; 0,03; 0,01 г/см3 и обеспечить прибавку урожайности ярового ячменя «Волгарь» на 0,12 т/га (5,1%) в сравнении с агрегатом: трактор «Беларус 1523» и посевной агрегат АУП-18.07.

МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Теоретические исследования рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы проводились на основе базовых положений законов и методов классической механики, математики, механики почво-грунтов, теории клина.

Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторно-полевых и полевых условиях применением метода сравнительных исследований технологического процесса работы экспериментального рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, выравнивателя по параметрам, обеспечивающим снижение уплотнения почвы в соответствии с действующими стандартами, теорией планирования многофакторных экспериментов, стандартными и разработанными частными методиками. Полученные экспериментальные данные статистически обрабатывались с использованием компьютерных программ «Microsoft Office Excel» и «Mathcad».

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

- технологический процесс создания подповерхностно-демпфирующего слоя почвы перед движителем трактора, конструктивно-технологическая схема и новые рабочие органы разработанного рыхлителя для его формирования;

- теоретические зависимости величины нормальных сжимающих напряжений и плотности почвы в почвенном горизонте под движителями трактора от физико-механических свойств подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, его параметров, а также зависимости по обоснованию конструктивных, технологических параметров и энергетических показателей рабочих органов рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы;

- рациональные конструктивные, технологические параметры и энергетические показатели рабочих органов рыхлителя подповерхностно-демпфирующего слоя почвы (ширина захвата крыльев асимметричной плоскорежущей подрезающей лапки, ширина захвата крыльев и угол крошения асимметричной плоскорежущей рыхлительной лапки, расстояния между лапками) и выравнивателя (угол атаки дисковых батарей).

СТЕПЕНЬ ДОСТОВЕРНОСТИ И АПРОБАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ. Степень достоверности результатов исследований подтверждается сходимостью результатов расчетов величины снижения нормальных сжимающих напряжений и величины энергозатрат на создание подповерхностно-демпфирующего слоя с результатами лабораторно-полевых и полевых исследований экспериментального рыхлителя по определению влияния конструктивных и технологических параметров его рабочих органов на плотность подповерхностно-демпфирующего слоя почвы, обеспечивающего снижение уплотнения почвенного горизонта.

Разработанный рыхлитель для разрыхления подповерхностно-демпфирующего и сохранения верхнего стерневого слоев почвы, обеспечивающих снижение уплотнения всего почвенного горизонта, внедрен в ГНУ «Поволжский научно-исследовательский институт селекции и семеноводства им. П.Н. Константинова» Самарской области.

11

Экспериментальный рыхлитель экспонировался на «XIV Поволжском агропромышленном форуме» 14...15 сентября 2012 г., где награжден дипломом и золотой медалью.

Основные положения диссертации и результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА» (2007...2013 гг.) и ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2013 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По диссертационной работе опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, указанных в «Перечне ... ВАК», получен патент РФ на изобретение, без соавторов опубликована одна статья. Общий объем публикаций составляет 1,74 п.л., из них 0,93 п.л. принадлежит автору.

СТУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 118 наименований и приложения на 17 с. Работа изложена на 131 е., содержит 5 табл. и 51 рис.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ влияния основных факторов, определяющих уровень уплотняющего действия движителей тракторов на почву

Почва является основой производства растениеводческой продукции, определяющей качество и количество будущего урожая. Современные технологии возделывания культурных растений предусматривают многоопера-ционность, высокий уровень техногенного воздействия на почву движителями тракторов и сельскохозяйственных машин, что значительно изменяет ее технологические свойства, содержание питательных элементов, наличие воздуха и влаги [2; 3; 5; 37; 38; 43; 46; 50; 79; 85; 91].

На основании проведенных экспериментов, А.И. Попов, Э.Ю. Нугис, А.Х. Махлак-Суитс считают, что такой фактор как количество проходов по полю различных сельскохозяйственных машин при возделывании зерновых культур достигает до 15, а площадь уплотнения - до 200% [76].

При этом Бондарев, А.Г. отмечает, что площадь поля уплотняется только движители тракторов до 80%, а влияние уплотнения сказывается в течение более длительного периода [4].

А.Г. Бондарев, В.В. Медведев, A.B. Русанов, A.B. Судаков определили, что фактор нормального сжимающего напряжения под движителями тракторов тягового класса 30 и 50кН превышает допустимые величины на глубине 0,5м в весенний период работ до 2 раз, причем с увеличением тягового класса уровень напряжения возрастает и у данных тракторов составляет от 180 до 220 кПа [7], что согласуется с ГОСТ 26955-86 [21].

На основании детальных и глубоких экспериментальных исследований в НАТИ М.И. Ляско рекомендует для значительного повышения урожайности снизить уровень воздействия гусеничных тракторов на почву до 2 раз, а колесных до 2,5 раз [51].

Важным показателем является величина деформации почвы, определяющая уплотнение почв. Весной при проведении посева по дерново-подзолистой почве, С-Петербургский АГУ, после прохода трактора «Беларусь» колеса деформировали почву на глубину до 0,15м, что существенно снижало не только плотность почвы в слое 0,10.. .0,20 м, но и качество заделки семян, что снизило урожайность пшеницы с 18.. .20 до 13.. .15 ц/га [40].

В НИИ сельского хозяйства Северо-Востока А.П. Шехурдин, М.Я. Ту-рушаев исследовали уплотняющее действие сельскохозяйственных машин и тракторов на почву. В результате установлено: весной на полевых работах в наибольшей степени уплотняются верхние слои почвы 0...0,10; 0,10...0,20 м при первом проходе тракторов, причем значительнее уплотняют почву колесные тракторы [108].

Глубина уплотнения почвы при проходе тяжелой энергонасыщенной техники по полю может составлять до 1,5 м [9].

М.И. Ляско, Л.Н.Кутин, К.Г. Селезнев [и др.] отмечают в своих исследованиях, что почва уплотняется не только по глубине, но и в стороны от движителей как колесных, так и гусеничных тракторов на расстояние до 1м [52]. Аналогичные данные получены также в ряде исследований [6; 8; 9; 58; 84; 108; 112; 113; 115].

Исследованиями А.Г. Бондарева, В.А. Русанова установлено уплотнение

•а

почвы на величину 0,13 г/см до глубины 0,45м после одного прохода тракторов 3 и 5 тяговых классов и сохраняется длительный период [4; 84].

A.И. Пупонин, Н.С. Матюк, Н.П