Основное направление совершенствования комбинированных отвально-безотвальных рабочих органов для обработки верхнего слоя пахотного горизонта

Основное направление совершенствования комбинированных отвально-безотвальных рабочих органов для обработки верхнего слоя пахотного горизонта

И. Т. Ковриков, д.т.н., профессор, Д. П. Юхин, аспирант, Оренбургский ГАУ

Вспашка полей плугом с отвальными корпусами является классической.

Такой метод основной обработки почвы, как показала практика, наряду с бесспорными преимуществами имеет ряд недостатков. Самыми существенными являются: образование так называемой «плужной подошвы» и перемещение верхнего, наиболее питательного корнеобитаемого слоя на дно борозды, подверженность почвы ветровой и водной эрозии. Безотвальное рыхление и минимальная обработка почвы исключают некоторые отрицательные стороны отвальной вспашки, однако полное исключение отвальной пахоты не улучшает ситуации из-за постепенного уплотнения почвы, интенсивного накопления семян сорняков в верхнем слое почвы и других причин.

В настоящее время наиболее оптимальной, с точки зрения агротехники, является комбинированная обработка почвы.

Такая обработка подразумевает комбинацию трех операций: разуплотнение «плужной подошвы», глубокого рыхления пахотного горизонта с одновременной отвальной вспашкой верхнего поверхностного слоя. Это обуславливает

концентрацию питательных веществ в зоне расположения корневых систем возделываемых растений в ранней стадии их вегетации, а также увеличение запасов влаги в подпахотном гори-зонте[4].

В связи с этим создание и модернизация машин для комбинированной обработки почвы является наиболее перспективным направлением в области исследования и производства почвообрабатывающих машин.

В настоящее время известно несколько типов комбинированных машин для почвообра-ботки. Все эти машины имеют отдельные рабочие органы (или группы рабочих органов) для обработки поверхностного слоя почвы и формирования поверхности поля, а также группы рыхлителей. Тем не менее, еще не решен вопрос, каким должен быть по структуре именно верхний корнеобитаемый слой, как его обрабатывать и как формировать поверхностный слой пахотного горизонта, чтобы приблизить условия развития культурных растений к оптимальным (плотность, твердость, структурность, скважность, влажность).

Некоторые имеющиеся комбинированные машины основываются на использовании набора рабочих органов для обработки верхнего корнеобитаемого слоя.

Следует отметить, что это приводит к увеличению веса и тягового сопротивления машины. Именно поэтому актуальным до сих пор остается создание единого рабочего органа, эффект от применения которого был бы максимально близок к эффекту от применения группы орга-нов[3].

Зона Южного Урала и Поволжья является зоной с недостаточным запасом почвенной влаги и питательных веществ.

Единственно возможный путь увеличения увлажнения — накопление и сохранение в почве выпадающих осадков. В засушливые годы пахотный слой почв этой зоны сильно уплотняется и покрывается трещинами. Обработка почвы в пересушенном состоянии приводит к образованию больших глыб значительной плотности и твердости. Дополнительная обработка такого поля ведет к сильному распылению и образованию эрозионно опасных частиц, что обуславливает снижение плодородия почвы.

Склонность почв Южного Урала и Поволжья к ветровой эрозии, недостаток влаги в них и малый гумусный горизонт создают проблемную ситуацию. С одной стороны — необходимость сохранения стерни на поверхности для лучшего снегозадержания и уменьшения движения воздуха у поверхности поля, а с другой — перемешивание растительных остатков с почвой в верхнем ее слое для пополнения питательными веществами и улучшения других показателей качества.

Чтобы решить эту проблему, предлагается новый рабочий орган (в мировой науке называемый джойнтером) двухэлементной конструкции: исполнительный элемент в виде отвальной рабочей поверхности и лемех, предназначенный для предварительного рыхления верхнего слоя и подрезания корневых систем растений. Такая конструкция обусловила возможность исключить полевую доску с целью устранения вредного трения, а потому и снижения сопротивления, которое составляет в классических конструкциях около 30% от общего сопротивления плуга.

Тем не менее, многочисленные исследования показывают, что энергоемкость процесса пахоты в основном зависит от формы лемешно-отвальной поверхности корпусов. Оптимальная спроектированная лемешно-отвальная поверхность позволяет снизить тяговое сопротивление, снизить погектарный расход топлива, затраты труда, повысить производительность агрегата[1].

Для проектирования лемешно-отвальных поверхностей джойнтера, как правило, задаются следующие параметры:

— размеры сечения пласта (глубина вспашки

«а» и ширина захвата «в»);

— угол установки образующей к стенке борозды р в начальном ее положении;

— начальный угол установки направляющей кривой к дну борозды а;

— форма и вылет L направляющей кривой. Параметры сечения пласта определяют коэффициентом К= в/ а,

где а — глубина обработки (высота пласта); в — ширина захвата рабочего органа (ширина пласта).

При проектировании поверхности джойнтера необходимо также руководствоваться еще не менее важным параметром — скоростью движения рабочего органа, в связи с поставленной целью снижения тягового сопротивления агрегата и энергоемкости технологического процесса. Согласно исследованиям, сила трения почвы о металл непосредственно зависит от скоростного режима обработки (см. рис. 2).

По закону Кулона сила трения: F = f N где N — сила нормального давления;

f — коэффициент трения, который определяется:

где С, S, А — постоянные коэффициенты, характеризующие почву и материал рабочей поверхности;

IV — скорость движения рабочего органа. Из условий предложенной нами технологии комбинированной основной обработки почвы и, в частности, из агротехнических требований к обработке верхнего корнеобитаемого слоя, коэффициент пропорциональности параметров поперечного сечения пласта, обрабатываемого джойнтером К, рассчитан и составляет от 2,3 до 2,9. Таким образом, оборот пласта будет осуществляться на больший угол. Однако классические лемешно-отвальные поверхности спроектированы из условия устойчивости пласта почвы, при котором 1,27<К<2[1]. Принимая во внимание, что крошение почвы предварительно будет осуществляться дополнительным лемехом для безотвального рыхления, угол крошения а отвальной поверхности джойнтера должен быть минимальным и изменяться незначительно на протяжении всей поверхности отвала. Исходя из вышеизложенного, джойнтер должен иметь лемешно-отвальную поверхность винтового типа, параметры которого зависят от глубины обработки, типа, влажности и твердости почвы. Исследования показали, что при вспашке старопахотных почв влажностью 22%, плотностью 1,7—2,0 г/см3 винтовые корпуса 1 (см. рис. 1), по сравнению с широко распространенными культурными корпусами 2, обладают более низкой энергоемкостью. Материал корпусов представлял собой трехслойную лемешную сталь.

4 6 8 10 12

Скорость движения, км/ч

Рис. 1 - Зависимость удельного сопротивления винтового и культурного корпусов от скорости

Рис. 2 - Зависимость коэффициента трения от скорости движения корпуса

Основываясь на том, что большую долю тягового сопротивления корпуса плуга составляет сопротивление лемехов, представляющих собой трехгранный клин, необходим правильный выбор углов специального джойнтера а, Р и у.

После изучения многочисленных трудов и исследований В. П. Горячкина, В. А. Желигов-ского, Л. А. Гячева, Л. А. Грачева, Н. В. Щуч-кина, Л. В. Мамедова, Г. Н. Синеокова были выбраны наиболее оптимальные начальные углы установки лемеха джойнтера для скоростей от 8 до 12 км/ч, которые представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Скорость движения Угол р0° Угол у0°

8 км/ч 28 35-38

10 км/ч 23-24 42-46

12 км/ч 20 42-46

Однако, исходя из условия устойчивости хода джойнтера и плуга в целом, как в продольновертикальной, так и в поперечно-вертикальной плоскостях, углы Р0 и у0 могут изменяться и приобрести оптимум, соответствующий условиям эксплуатации. Из этих же условий, надо полагать, должны быть оптимизированы углы установки дополнительного лемеха для безотвального рыхления[2]. Тем не менее, предварительные значения углов для него, по исследованиям А. Е. Ержанова, для мелкого рыхления составляют: угол раствора р — не более 45°, угол крошения должен составлять от 20 до 25°.

Основным параметром при оптимизации отвальной поверхности джойнтера является угол охвата пласта. Согласно исследованиям угол охвата характеризуется следующим условием:

где 0 — угол охвата пласта поверхностью;

а' — первая производная уравнения сферической индикатрисы касательной исходной кривой;

Р — угол между направлением движения пахотного агрегата и касательной исходной кривой.

Наши предварительные исследования показали, что имеется дополнительный резерв снижения сопротивления за счет уменьшения угла охвата, поскольку крыло отвала можно укоротить, так как крошение пласта предварительно производится включенным нами в конструкцию джойнтера лемехом для безотвального рыхления.

Таким образом, предложенное в настоящем материале направление дальнейшего совершенствования машин для основной обработки почвы является программой создания очередного поколения плугов рыхлителей-разуплотнителей на базе ранее разработанных нами, например, по патенту №2131653 RU МКИ А 01 В 79/00, 13/14.

Литература

1 Горячкин В. П. Сборник сочинений. Т.т. 1, 2, 3. — М.: Строй-издат, 1989. — 304 с.

2 Гячев Л. А. Динамика машинотракторных агрегатов. — Ростов-на-Дону.: Изд-во Ростовского университета, 1986. — 191 с.

3 Ковриков И. Т. Рабочий орган почвообрабатывающего орудия // Б. И. - 1987. - №41.

4 Ковриков И. Т. Основные направления совершенствования технологий обработки почвы и средств механизации их осуществления // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2004. - №3. - С.22.