Влияние технических характеристик орудия на показатели качества глубокого разрыхления орошаемых земель

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(11), 2013 г., [134-147] УДК 631.316.5

А. А. Михайлин, В. П. Максимов, И. В. Клименко

ВЛИЯНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОРУДИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ГЛУБОКОГО РАЗРЫХЛЕНИЯ ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ

Целью работы являлось усовершенствование конструкции рабочего органа глу-бокорыхлителя определение критериев оценки качества работы орудий для глубокого рыхления: глубина рыхления, суммарная площадь разрыхленной почвы, распределение зоны разрыхления по глубине, энергоемкость. Была принята гипотеза, что форма, место расположения и угол наклона элементов системы деформаторов влияют на размеры и форму области разрушения почвенного массива. Для ее проверки был усовершенствован глубокорыхлитель навесной чизельного типа ГНЧ-0,6. Тяговые сопротивления усовершенствованного глубокорыхлителя при глубинах обработки 50 и 60 см и углах наклона грунтоподъемников рабочего органа 40°, 50° и 60° изменялись от 2,1 до 3,0 кН, что на 20-30 % меньше по сравнению с наиболее распространенным в практике глубокорыхлителем РГ-0,8. Для проверки рабочей гипотезы исследовались три схемы расположения системы деформаторов ГНЧ-0,6У: без изменения его геометрических параметров, с дополнительными грунтоподъемниками и грунтоподъемниками новой конструкции. Оптимальная область разрыхления зафиксирована на варианте с грунто-подъемниками новой конструкцией, которые располагались на носке наральника -в крайней нижней точке рабочего органа глубокорыхлителя. Результаты исследований по определению оптимальной толщины внутрипочвенной стенки показывают, что она должна быть около 30-35 см у поверхности. Следовательно, расстояние между продольными осями рабочих органов глубокорыхлителя должно быть 110-115 см. Уменьшение межосевого расстояния приводит к критически тонкой стенке, при нарезке которой возможны разрушающие деформации. Такая толщина стенки недостаточна для долгой фильтрации и удержания влагонасыщенной разрыхленной части. Увеличение межосевого расстояния способствует увеличению толщины внутрипочвенной стенки, что негативно сказывается на соотношении полезного объема влагонасыщенной области к объему переуплотненной части обрабатываемой почвы.

Ключевые слова: глубокое рыхление, глубокорыхлитель, переуплотнение почвы, система деформаторов, тяговое сопротивление, влагонасыщение, область разрыхления, грунтоподъемник, внутрипочвенные стенки, рабочий орган, энергоемкость, технические характеристики, показатели качества.

A. A. Mikhaylin, V. P. Maksimov, I. V. Klimenko

INFLUENCE OF IMPLEMENT PERFORMANCE ON QUALITY INDICES FOR DEEP LOOSENING OF IRRIGATED LANDS

The objective of the study was to improve the design of the operating element of chisel plow and to determine criteria for assessment of the operating quality for deep tillage: the depth of loosening, total area of loosening soil, the distribution of loosening zone in soil depth, and power-intensity. A hypothesis that the form, location and slope for elements of system of deformers influence on the dimension and form of soil destruction region was accepted. To test it a mounted chisel plow of ГНЧ-0,6У type was improved. Draught resistance

of the improved chisel plow at the operating depths of 50 and 60 cm and the slope angles of soil raiser of operating element 40°, 50° and 60° varied from 2.1 to 3.0 kN, which is less by 20-30 % against to the most common subsoiler РГ-0,8. In order to test the working hypothesis three schemes of layout of the system of deformers ГНЧ-0,6У was studied: without changes in geometrical parameters; with additional soil raisers and with the soil raisers of new design. The optimal loosening zone was marked at the variant with the soil raisers of new design, which were situated at the extreme low point of operating element of chisel plow. A number of tests carried out to determine optimal thickness of an intrasoil wall makes it possible to conclude that it has to be about 30-35 cm by the surface. So, the distance between longitudinal axes of the chisel plow operating element has to be 110-115 cm. The decrease of this interaxis distance results in critically thin wall when cutting of which undesirable destructive deformations occur. Such wall thickness is not enough for long filtration and retention of moisture saturated loosed part of soil. Increase in the inter-axis distance of chisel plow racks promotes sizeable increase in thickness of an intrasoil wall that negatively influences on ratio of efficient (useful) volume for moisture saturated area to the volume of overcompacted part of treated soil.

Keywords: deep loosening, chisel plow, soil overcompactness, system of deformers, draught resistance, moisture saturation, loosening zone, soil raiser, intrasoil walls, operatin element, power intensity, specifications, quality indices.

Сложившаяся в настоящее время ситуация в орошаемом земледелии России требует безотлагательного решения проблемы разуплотнения почв. За истекшие три десятилетия площадь переуплотненных земель значительно увеличилась и превысила 10 млн га. При этом только из-за снижения урожайности страна недобирает более 1 млн т зерна. Решить эту проблему без создания новых высокоэффективных орудий не представляется возможным [1].

Исследования отечественных и зарубежных ученых показывают, что улучшение скважности, водно-воздушного режима и предотвращение эрозии почв возможно, прежде всего, за счет глубокого рыхления на глубину не менее 60 см.

Анализ работы известных глубокорыхлителей (РГ-1,2, РГ-0,8, РВШ-0,8, РС-0,8, ГНЧ-0,6) выявил их общие недостатки: высокая энергоемкость процесса и нерациональная форма зоны разрыхления почвы. Последняя особенно неблагоприятно сказывается на развитии корневой системы растений.

Решение проблемы повышения эффективности разуплотнения почв предполагает выработку критериев оценки качества работы орудий.

На наш взгляд, это глубина рыхления, суммарная площадь разрыхленной почвы, распределение зоны разрыхления по глубине, энергоемкость.

На основе исследований процесса взаимодействия [2, 3] принята гипотеза, что форма, место расположения и угол наклона элементов системы деформаторов влияют на размеры и форму области разрушения почвенного массива.

В связи с вышеизложенным целью работы является экспериментальное доказательство принятой гипотезы и определение влияния топологических и геометрических параметров глубокорыхлителя, отвечающих оптимальным критериям качества (на эффективность процесса разуплотнения почвы), а также получение сравнительных характеристик с глубокорыхли-телями подобного класса.

Для проверки гипотезы был усовершенствован глубокорыхлитель навесной чизельного типа ГНЧ-0,6, отличающийся тем, что позволяет формировать оптимальную зону разрыхления в соответствии с принятыми критериями. Определялись его тяговые сопротивления и зона разрыхления.

На рисунке 1 показан рабочий орган усовершенствованного глубо-корыхлителя ГНЧ-0,6У, который включает раму 1, стойку 2, смежные рыхлящие грани 3, наральник 4, грунтоподъемники 5 (правый и левый), шарнир 6, культиваторную лапу 7.

Оригинальная сварная прямоугольная рама выполнена из стали марки Ст 5 толщиной 4 мм, усилена косынками. На раме глубокорыхлителя рабочие органы установлены в два ряда в шахматном порядке, тем самым уменьшая тяговые усилия при обработке почвы. Ширина захвата - 2,95 м. Стойки выполнены из износостойкой стали марки Ст 5 толщиной 30 мм. К стойке через технологические отверстия крепятся культиваторные лапы, смежные рыхлящие грани. Вместо формователей гребня дна борозды установлены грунтоподъемники прямоугольной формы. Изменение технических решений рабочего органа глубокорыхлителя вызвано тем, что формо-

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(11), 2013 г., [134-147] ватели не обеспечивают рыхление пласта почвы. Установка грунтоподъ-емников позволяет существенно повысить качество разуплотнения пласта с сохранением функций базовой конструкции.

1

Рисунок 1 - Рабочий орган глубокорыхлителя чизельного типа ГНЧ-0,6У

Грунтоподъемники установлены на высоте 15 см от носка наральника. Выполнены они из стали марки Ст 40, прошедшей термическую обработку, толщиной 10 мм с отверстиями под «потай» диаметром 20 мм с режущей гранью, заточенной под углом 45°.

При заглублении рабочего органа в почву стойка разрезает и рыхлит почву вследствие сдвига в стороны почвенного пласта по гладким сменным рыхлящим граням. В результате этого сдвигаемый пласт почвы крошится на мелкие фракции при снятии сжимающих нагрузок после схода почвенного пласта с рыхлящих плоскостей. Наральник, имеющий трапецеидальную форму, с помощью боковых граней углубляет и несколько расширяет борозду. С помощью грунтоподъемников производится отрыв почвенного пласта от нижележащего слоя почвы и происходит его перемещение вверх по плоскости грунтоподъемников, тем самым образуя вер-

тикальные трещины в подрезаемом слое, обеспечивая лучшее разуплотнение отрываемого пласта почвы [2].

На сегодняшний день наибольшее распространение для глубокого рыхления (более 50 см) получил РГ-0,8, поэтому для сравнения с ГНЧ-0,6У был принят глубокорыхлитель объемного типа РГ-0,8 (рисунок 2). Анализ конструкций рыхлителей почвы сельскохозяйственного назначения, разработанных НИИ и другими научными организациями Ростовской области и всего Южного Федерального округа, позволил установить, что РГ-0,8 является единственной конструкцией рыхлителя сельскохозяйственного назначения, способного разуплотнять пласт почвы глубиной ниже 60 см.

Рисунок 2 - Рабочий орган глубокорыхлителя РГ-0.8

Исследования проводились во ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград Ростовской области). Определялось тяговое сопротивление стойки ГНЧ-0,6У в сравнении с показателями стойки рабочего органа глубокорыхлителя РГ-0,8. Усилия перемещения фиксировались мобильной тензостанцией. Полученные результаты замеров тяговых сопротивлений стойки рабочего органа глубокорыхлителя ГНЧ-0,6У приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Показатели тяговых сопротивлений глубокорыхлителя ГНЧ-0,6У

Режимы работы Характеристика тяговых соп ротивлений

Угол наклона грунтоподъемни-ков а, ° Г лубина обработки Н, см Тяговое сопротивление F, ср., кН Ср. квадратичное отклонение +ст, Н Коэффициент вариации и, %

40 50 2,127 392 18,4

60 2,576 499 20,9

50 50 2,422 406 16,6

60 2,703 811 41,0

60 50 2,453 636 43,7

60 3,045 727 35,5

В таблице 2 представлены показатели тяговых сопротивлений рабочего органа глубокорыхлителя объемного типа РГ-0,8.

Таблица 2 - Показатели тяговых сопротивлений глубокорыхлителя РГ-0,8

Режимы работы Характеристика сопротивлений усилий

Угол наклона рыхлящих плоскостей а, ° Г лубина обработки Н, см Тяговое сопротивление F, ср., кН Ср. квадратичное отклонение ±о, Н Коэффициент вариации и, %

40 50 2,318 418 15,3

60 2,620 344 16,8

50 50 2,602 451 22,4

60 2,817 522 28,9

60 50 2,695 714 30,0

60 4,198 534 42,2

Анализ таблиц 1 и 2 показывает, что тяговые сопротивления при глубинах обработки 50 и 60 см и углах наклона грунтоподъемников рабочего органа глубокорыхлителя ГНЧ-0,6У и углах наклона рыхлящих плоскостей глубокорыхлителя ГР-0,8 40°, 50° и 60° существенно различаются. Установлено, что показатели тягового сопротивления глубокорыхлителя ГНЧ-0,6У в сравнении с глубокорыхлителем РГ-0,8 при указанных углах наклона рыхлящих плоскостей и глубинах обработки почвы имели соответственно следующие значения: 2,127 и 2,318 кН; 2,576 и 2,620 кН; 2,422 и 2,602 кН; 2,703 и 2,817 кН; 2,453 и 2,695 кН; 3,045 и 4,198 кН. Анализ полученных показателей позволил установить, что тяговые сопротивления рабочего органа глубокорыхлителя РГ-0,8 в сравнении с тяговыми сопротивлениями рабочего органа ГНЧ-0,6У возрастают от 20 до 30 % с увеличением глубины обработки почвы и угла наклона рыхлящих поверхностей рабочего органа.

Таким образом, тяговые сопротивления при обработке рабочим органом глубокорыхлителя чизельного типа ГНЧ-0,6У в сравнении с обработкой рабочим органом глубокорыхлителя РГ-0,8 снижаются на 20-30 %. Это дает основание утверждать, что глубокорыхлитель ГНЧ-0,6У по своим энергетическим характеристикам существенно превосходит глубокорыхлитель объемного типа РГ-0,8 [2, 3, 4].

На следующем этапе исследований глубокорыхлителя ГНЧ-0,бУ проводилась проверка вышеприведенной рабочей гипотезы:

- определялось, какое влияние оказывают геометрические и топологические параметры грунтоподъемников, устанавливаемых на стойке орудия, на формирование зоны разрыхления;

- уточнялась картина взаимодействия системы деформаторов с почвой и определялись параметры разрыхления.

Для выполнения этого этапа потребовалось:

- исследовать в натурных условиях область разрыхления, образующуюся от работы стойки глубокорыхлителя чизельного типа ГНЧ-0,бУ;

- оптимизировать геометрические параметры поперечной проекции области разрыхления, происходящей от исследуемой стойки глубокорыхлителя;

- усовершенствовать систему деформаторов глубокорыхлителя навесного чизельного типа ГНЧ-0,бУ для получения оптимальных геометрических характеристик области разрыхления.

При проведении исследований были использованы следующие технические средства:

- экспериментальный трактор оригинальной конструкции ВНИПТИМЭСХ 5-го тягового класса с навесной универсальной рамой;

- экскаватор гидравлический (обратная лопата) ЭО-3322;

- тензометрическая станция на базе автомобиля марки «ГАЗ-бб», включающая бензоэлектроагрегат, самописец Н-327-3, усилитель TDА-6, аналоговый цифровой преобразователь (АЦП) ЛА-70МЗ, компьютер IBM совместимый, кабели, разъемы, плата сопряжения, тензометрические датчики, видеокамера, фотоаппарат;

- трафарет для нанесения разметной сетки, белая акриловая краска, шанцевый инструмент; плотномер, бур, бюксы;

- экспериментальная стойка глубокорыхлителя навесного чизельного типа ГНЧ-0,бУ и набор сменных грунтоподъемников;

- универсальная навесная рама с трехточечным креплением к трактору.

Для эксперимента экскаватор отрывал траншею длиной не менее

15 м, глубиной 1,1 м, шириной в верхней части 2 м, а в нижней - 0,8 м, причем одна из стенок траншеи выполнена наклонно. Вертикальная стенка траншеи должна располагаться с южной стороны, чтобы прямые солнечные лучи во время проведения опытов не иссушали поверхностный слой рабочей стенки.

Исследуемые орудия устанавливались через тензометрическую трехточечную подвеску к экспериментальному трактору, оборудованному гидрообъемным трансформатором, опускались в траншею на глубину б0 см и на ползучей скорости перемещались перпендикулярно траншее на расстояние 2,0-2,5 м. Процесс взаимодействия фиксировался съемкой на видеокамеру и фотоаппарат, после чего трактор останавливался и производилось исследование полученной области разрушения. Анализировались границы полученных деформаций на нанесенной масштабной сетке. Параллельно измерялись усилия перемещения и плотность почвы до и после прохода орудия на глубинах от 10 до б0 см с шагом 10 см.

Опыты проводились в трехкратной повторности. Производились покадровая расшифровка видеозаписи, анализ сделанных фотографий и результатов тензометрирования. Обработка данных осуществлялась стандартными методами. Для определения оптимальных параметров области разрыхления стойки ГНЧ-0,бУ и параметров образующейся внутрипочвен-ной стенки исследовались три варианта:

- производилась пенетрация в вертикальную стенку траншеи глубо-корыхлителя чизельного типа ГНЧ-0,бУ без изменения его геометрических параметров;

- на носке наральника устанавливались дополнительные грунтоподъ-емники такой же конструкции, затем стойки внедрялись в вертикальную стенку траншеи;

- существующие грунтоподъемники на прототипе снимались и устанавливались новые (по варианту 2), после чего внедрялся глубокорыхли-тель с измененной системой деформаторов.

Для корректировки исследуемых параметров проводилось определение твердости и влажности разуплотняемого пласта почвы. Для сравнительной оценки был произведен анализ областей разуплотнения от применения рабочих органов различных экспериментальных орудий ГНЧ-0,6У и ВНИИПТИМЭСХ (КАО-2 и УНС-5). Схемы расположения грунтоподъем-ников и полученные области разрыхления показаны на рисунках 3-8.

О

о

Рисунок 3 - Схема расположения системы деформаторов ГНЧ-0,6У

Рисунок 4 - Контур области разрыхления, образующейся, от данной конфигурации системы деформаторов ГНЧ-0,6У

О

О

Рисунок 5 - Схема расположения системы деформаторов ГНЧ-0,6У

о

40

гг

/77

Рисунок 6 - Контур области разрыхления, образующейся, от данной конфигурации системы деформаторов ГНЧ-0,6У

Рисунок 8 - Контур области разрыхления, образующейся, от данной конфигурации системы деформаторов ГНЧ-0,6У

Результаты исследования области разрыхления позволяют сделать следующие предварительные выводы. Данные, приведенные на рисунках 3-8, показывают, что оптимальная область разрыхления зафиксирована в опыте по варианту 3, в котором грунтоподъемники находятся на носке наральника - в крайней нижней точке рабочего органа глубокорыхлителя ГНЧ-0,6У. Полученный результат позволяет утверждать, что с увеличением глубины разуплотнения область разрыхления стремится повторить систему деформаторов стойки рыхлителя. Следовательно, в рамках данного эксперимента полностью согласуется с результатами проведенных исследований утверждение Ю. А. Ветрова о том, что давление по лобовой грани ножа, благодаря пористости и сжимаемости грунтов, с увеличением глу-

Рисунок 7 - Схема расположения системы деформаторов ГНЧ-0,6У

«80 см

бины резания возрастает медленнее, чем это необходимо для отделения грунтового тела; при некоторой толщине ножа деформации уплотнения грунта достигают такой величины, когда грунт оттесняется в стороны от ножа еще до возникновения поверхности сдвига [5].

Проведенная серия испытаний по определению оптимальной толщины внутрипочвенной стенки позволяет сделать вывод, что она должна быть около 30-35 см у поверхности. Следовательно расстояние между продольными осями рабочих органов глубокорыхлителя должно быть 110-115 см. Уменьшение этого межосевого расстояния приводит к критически тонкой стенке, которая при ее нарезке может получить нежелательные разрушающие деформации, либо толщины стенки будет недостаточно для долгой фильтрации и удержания влагонасыщенной разрыхленной части. Увеличение межосевого расстояния стоек глубокорыхлителя способствует значительному увеличению толщины внутрипочвенной стенки, что негативно сказывается на соотношении полезного объема влагонасыщенной области к объему переуплотненной части обрабатываемой почвы.

Программой испытаний предусматривалось сравнение экспериментального глубокорыхлителя ГНЧ-0,6У с орудиями конструкции ВНИПТИМЭСХ - КАО-2 и УНС-5. Схемы расположения системы деформаторов и результаты испытаний рабочих органов (стоек) этих орудий приведены на рисунках 9-12.

Рисунок 9 - Схема расположения системы деформаторов КАО-2

50 см

Рисунок 10 - Контур области разрыхления, образующейся от данной конфигурации системы деформаторов КАО-2

Рисунок 11 - Схема расположения системы деформаторов УНС-5

Рисунок 12 - Контур области разрыхления, образующейся от данной конфигурации системы деформаторов УНС-5

В результате испытаний было определено, что в области разрыхления от стойки УНС-5 присутствуют твердые комки из неразрыхленной почвы. Наиболее качественное крошение происходит при применении стойки рыхлителя КАО-2. Исследуемые стойки орудий КАО-2 и УНС-5 показали, что их область разрыхления имеет неравномерную по глубине (неоптимальную по выбранному критерию) форму по сравнению со стой-

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(11), 2013 г., [134-147] кой рыхлителя ГНЧ-0,6У, показанную на рисунке 8 [6].

Проведенные исследования позволили установить:

- оптимальную зону разрыхления по глубине и форме возможно получить путем размещения грунтоподъемников в нижней части стойки глу-бокорыхлителя ГНЧ-0,6У;

- существующие конструкции глубокорыхлителей РГ-0,8, УНС, КАО-2 не позволяют получить требуемые параметры зоны разрыхления, что не обеспечивает аккумуляцию внутрипочвенной влаги на склоне;

- увеличение объема разрыхленного пласта почвы от применения стойки глубокорыхлителя ГНЧ-0,6У не приводит к существенному увеличению энергоемкости процесса разуплотнения (менее 5 %).

Список использованных источников

1 Стариков, Х. Н. Плотность и урожай / Х. Н. Стариков // Земледелие. - 1983. - № 8. - С. 22-24.

2 Михайлин, А. А. Разуплотнение подпахотного слоя почвы в зоне орошения глубокорыхлителем чизельного типа: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01 / Михайлин Андрей Андреевич. - Новочеркасск, 2003. - 176 с.

3 Михайлин, А. А. Новый способ разуплотнения склоновых земель / А. А. Михайлин, В. П. Максимов, И. В. Клименко // Ресурсосберегающие технологии и инновационные проекты в АПК: материалы междунар. науч.-практ. конф. - Зерноград, 2009. - С. 157-161.

4 Максимов, В. П. Удельная нагрузка на почвообрабатывающее орудие // Известия ВУЗов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2002. - № 4. -С. 74-76.

5 Ветров, Ю. А. Резание грунтов землеройными машинами / Ю. А. Ветров. - М.: Машиностроение, 1971. - 360 с.

6 Разработать ресурсосберегающую технологию обработки склоновых земель, предусматривающую глубокое рыхление, направленное на снижение эрозионных процессов: отчет о НИР (заключит.): 03.05.02.01 /

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(11), 2013 г., [134-147] ФГОУ ВПО «НГМА»; рук. А. А. Михайлин. - Новочеркасск, 2010. - 105 с. -Исп.: Михайлин А. А., Максимов В. П., Клименко И. В. - Инв. № 444688.

Михайлин Андрей Андреевич - кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО «НГМА»), доцент.

Контактный телефон: 8-904-508-87-28.

E-mail: mih_2005@rambler.ru

Mikhaylin Andrey Andreyevich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Novocherkassk State Meliorative Academy” (FSBEE HPE “NSMA”), Associate Professor.

Contact telephone number: 8-904-508-87-28.

E-mail: mih_2005@rambler.ru

Максимов Валерий Павлович - доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО «НГМА»), профессор.

Контактный телефон: 8-904-508-87-28.

E-mail: mih_2005@rambler.ru

Maksimov Valeriy Pavlovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Novocherkassk State Meliorative Academy” (FSBEE HPE “NSMA”), Professor.

Contact telephone number: 8-904-508-87-28.

E-mail: mih_2005@rambler.ru

Клименко Илья Владиславович - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО «НГМА»), аспирант. Контактный телефон: 89081829286.

E-mail: mih_2005@rambler.ru

Klimenko Iliya Vladislavovich - Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Novocherkassk State Meliorative Academy” (FSBEE HPE “NSMA”), Postgraduate Student.

Contact telephone number: 89081829286.

E-mail: mih_2005@rambler.ru