АГРЕГАТ ДЛЯ ПОСЛОЙНОГО ВНЕСЕНИЯ В ПОЧВУ МОДИФИКАТОРОВ
UNIT FOR LAYER-BY-LAYER INTRODUCTION OF MODIFIERS INTO SOIL

Область техники
Заявляемое изобретение относится к области рекультивации элювиальных почв в полевых условиях. Сельскохозяйственные угодья, расположенные в пригородной зоне, играют особую роль, как для самого города, так и для сельского хозяйства региона (района, области, республики). Именно в этой зоне производится значительная часть овощных, кормовых культур и картофеля, в ней расположены наиболее окультуренные и интенсивно используемые почвы. Однако под действием техногенеза они постепенно утрачивают свою производительную способность, подвергаются химическому загрязнению и механическому нарушению, вплоть до полной деградации почвенного и растительного покрова. Особую опасность вызывают тяжелые металлы, содержащиеся в загрязненных почвах, так как они накапливаются в растениях, а потом по пищевой цепочке попадают в организм животных и человека и вызывают различные заболевания. Площадь таких деградированных земель ежегодно только увеличивается. Заявляемый способ может быть использован для повышения продуктивности почв с низким уровнем плодородия.
Рекультивация - это комплекс мер, направленных на восстановление прежних плодородных качеств почвы, ее биологической и хозяйственной ценности, а также на улучшение условий окружающей природной среды.
Уровень техники
В лабораторных условиях на сегодняшний день доступны такие методы рекультивации, как:
- Фиторекультивация, за счет поглощения растениями_мутагенных, канцерогенных и других биологически опасных продуктов.
- Компостирование, заключающееся в укладке слоями остатков растений, навоза, неспелого компоста, соломы и т.д. для перегнивания непосредственно на поверхности почвы.
- Активация почв аборигенной микрофлорой, что позволяет сократить продолжительность выделения аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов-деструкторов, упростить технологию наработки биомассы штаммов-деструкторов.
- Внесение органических удобрений в почву, что способствует улучшению структуры почвы, склеивая бесструктурные частицы в комочки и создавая свободное пространство между ними. Структурный грунт имеет лучшую воздухо- и водопроницаемость, дольше сохраняет тепло и удерживает питательные вещества.
- Микробиологическая очистка, где главными агентами самоочищения почвы являются естественные деструкторы - углеводородокисляющие микроорганизмы. Такие организмы содержаться, например, в торфе. Существуют выведенные штаммы микроорганизмов, способных за короткое время практически полностью утилизировать нефтяные продукты.
Из уровня техники известны различные устройства, обеспечивающие возможность проведения рекультивационных работ, в том числе и посредством поэтапной обработки слоев почвы одним устройством. Так, из патента РФ №75529 известно комбинированное почвообрабатывающее орудие, включающее раму с присоединительным, в частности навесным или прицепным, устройством, опорными колесами и системой изменения высоты рамы над почвой, подрезающие рабочие органы, преимущественно в виде стрельчатых лап, прикрепленные стойками к раме, установленные после названных рабочих органов многофункциональные катки, имеющие кольцеобразные ободья со спицами, расположенные в осевом направлении дистанционно друг от друга под острыми углами атаки, при этом между подрезающими рабочими органами и многофункциональными катками дополнительно предусмотрены заравнивающие устройства.
Данный агрегат не обеспечивает возможности внесения в почву модификаторов, а лишь выполняет механическую функцию, обусловленную последовательным расположением рабочих органов и катков.
Известен также из патента РФ №178506 культиватор-инжектор ротационный полунавесной для подпочвенного ленточного внесения жидких гуминовых удобрений с одновременным рыхлением поверхностного слоя почвы, подрезанием сорняков, заделыванием пожнивных остатков после вспашки, содержащий стреловидную коробчатую раму с редуктором, внутри которой в подшипниковых опорах расположены валы роторов с ножами, кинематически связанные с валом отбора мощности трактора, коробчатая рама установлена совместно с шарнирной пространственной конструкцией, выполненной в виде шарнирно-рычажного четырехзвенного прямолинейно направляющего механизма Уатта, имеющей опорные колеса, на присоединяемой к трактору трехточечной навеске, при этом на шарнирной пространственной конструкции и трехточечной навеске установлена винтовая пара для заглубления роторов в почву, кроме того, впереди трактора установлена гидросистема с расходным баком и контрольно-регулирующая аппаратура для поддержания нормы внесения жидких удобрений на гектар.
Конструкция данного агрегата характеризуется технологической сложностью, при этом вращающиеся блоки вертикальных ножей работают как фрезы и не допускают быстрого движения агрегата, кроме того, ленточное внесение удобрения создает тонкий плодородный слой в глубине почвы, не удобряя при этом всю толщину обрабатываемого пласта почвы.
Из патента РФ №2421973 известно устройство для внесения жидких удобрений в почву, включающее емкость для жидких удобрений, компрессор, свободно установленные на полой оси нагнетательные барабаны с полыми иглами, при этом компрессор соединен непосредственно с емкостью для жидких удобрений, которая связана с полой осью нагнетательной магистралью, в полой оси выполнены сегментные окна для подачи жидких удобрений из емкости для жидких удобрений в полость игл, а полые иглы имеют в нижней части штоки-отсекатели. Компрессор нагнетает воздух по нагнетательной магистрали в емкость для жидких удобрений. Под действием давления жидкое удобрение по нагнетательной магистрали поступает в полую ось. При движении иглы к почве шток-отсекатель, погружаясь в почвенный слой, преодолевая усилие пружины, перемещается вверх.
Недостатком данного устройства является тот факт, что устройство обеспечивает только впрыск удобрений в почву, без ее перемешивания или уплотнения. Для указанных операций необходимо использование дополнительной почвообрабатывающей техники, что существенно увеличивает длительность обработки, а также затрудняет формирование структуросодержащего слоя почвы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для внесения жидких удобрений в почву по а.с. СССР №934964, включающее раму, установленную на опорных колесах, передний брус с кронштейнами, емкость для удобрений, расположенную в задней части рамы, рабочие органы, смонтированные на подрамнике, гидроцилиндр для их заглубления, шарнирно закрепленный на раме перед емкостью для удобрений.
Известному устройству присущи следующие недостатки: процесс внесения жидких удобрений при помощи данного устройства отличается длительностью и многостадийностью, при этом устройство не обеспечивает возможности формирования структуросодержащего слоя почвы, ее перемешивания, что является одним из основных критериев успешной рекультивации почвы, а только обеспечивает внесение удобрений.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в преодолении недостатков, присущих аналогам и прототипу, а именно, в необходимости создания устройства, обеспечивающего возможность рекультивации элювиальных почв в полевых условиях, за счет обеспечений возможности обработки бесструктурных почв с получением агрономически ценных структурных фракций.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении формирования слоя структурной почвы, равномерно обогащенного почвенными модификаторами и достаточного для выращивания культур с глубокой корневой системой. Кроме того, технический результат заключается в перераспределении изменяющейся весовой нагрузки емкости с удобрением почву. Технический результат достигается за счет конструктивных особенностей заявляемого агрегата, обеспечивающих послойное внесение в почву удобрений (например, гуматов или торфогеля) с последующим ее уплотнением. В результате применения заявляемого агрегата появляется возможность проводить обработку почвы при более высокой влажности почвы, например, ранней весной, при избыточной влажности, когда использование другой почвообрабатывающей техники еще затруднительно или неэффективно.
Поставленная задача решается тем, что агрегат для послойного внесения в почву удобрений включает раму, выполненную из лонжеронов, жестко соединенных между собой поперечными балками, установленную на опорных колесах с возможностью навешивания к тяговому устройству, емкость для удобрений, расположенную над рамой, соединенную со средствами подачи удобрения в почву, рабочую секцию, содержащую ряд рабочих органов, закрепленных к раме, и прикатывающий каток, установленный после рабочих органов по ходу движения агрегата, а также, согласно техническому решению, содержит вторую рабочую секцию, при этом в качестве рабочих органов в первой секции установлен многокорпусный плуг, а во второй секции - окучники, агрегат снабжен разгрузочным устройством, обеспечивающим передачу на почву весовой нагрузки от емкости с удобрением при изменении ее веса в результате расхода удобрения, а средства подачи удобрения в почву представляют собой шланги высокого давления с форсунками, закрепленными в рабочих секциях между рабочими органами и катками. Разгрузочное устройство выполнено в виде двух блоков, установленных за рабочими секциями и соединенных с платформой, на которой размещена емкость для удобрений, при этом каждый блок включает комплект опорных валков, установленных с возможностью свободного вращения в паре подвижных рычагов, шарнирно соединенных с кронштейнами рамы агрегата с возможностью их углового перемещения относительно кронштейна, и снабженных упругими элементами, притягивающими рычаги к кронштейнам рамы.
Краткое описание чертежей
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 приведено схематичное изображение заявляемого агрегата (вид сбоку).
На фиг. 2 представлен вид сверху на агрегат (изображение в зонах плуга и окучников раздвинуто для обеспечения возможности показа формы почвенных гребней, получаемых после вспашки плугом и окучниками).
На фиг. 3 приведено схематичное изображение конструкции разгрузочного устройства.
На фиг. 4 схематично представлено положение рычага разгрузочного устройства при полностью заполненном модификатором нагнетательном баке.
Позициями на чертежах обозначены:
1. Рама агрегата.
2. Многокорпусный плуг.
3. Форсунка.
4. Прикатывающий каток.
5. Упругий элемент (пружина или торсион).
6. Рычаг.
7. Опорные валки разгрузочного устройства.
8. Окучник.
9. Штанга.
10. Платформа.
11. Нагнетательный бак.
12. Форма гребней почвы после вспашки плугом.
13. Формы гребней почвы после вспашки окучниками.
14. Кронштейн рамы агрегата для установки прикатывающего катка.
15. Косынка рамы агрегата в сборе с направляющей втулкой штанги платформы нагнетательного бака.
16. Кронштейн рамы агрегата в сборе с направляющей втулкой штанги платформы нагнетательного бака.
17. Кронштейн крепления форсунки к поперечине рамы агрегата.
18. Направляющая втулка штанги платформы нагнетательного бака.
19. Кронштейн рамы для крепления рычага разгрузочного устройства
20. Прицепная серьга
21. Кулиса
Осуществление изобретения
Заявляемый агрегат представляет собой навесное почвообрабатывающее орудие, прицепляемое к трактору или любому другому колесному тяговому устройству. Агрегат включает раму 1, выполненную из стальных жестких профилей, на которой закреплены основные элементы агрегата (рабочие органы), снабженную подъемной рычажно-гидравлической (пневматической или пневмогидравлической системой) опорных колес на время транспортировки агрегата (не показано). На раме также установлен нагнетательный бак 11 для жидких удобрений (емкость для почвенных модификаторов). К баку подведены шланги высокого давления для обеспечения возможности подачи удобрения к почве, на концах которых установлены центробежные форсунки, снабженные завихрителями 3.
Рама выполнена из отдельных лонжеронов, жестко соединенных между собой поперечными балками. В передней части у рамы имеется прицепная серьга 20 для соединения с тяговым устройством.
Агрегат содержит две рабочие секции, установленные и закрепленные к раме последовательно.
Первая по ходу движения рабочая секция включает многокорпусный плуг 2 в качестве рабочих органов, за которым установлен прикатывающий каток 4.
Вторая по ходу движения рабочая секция включает ряд окучников 8 в качестве рабочих органов, за которым установлен прикатывающий каток 4.
Многокорпусный плуг 2 представляет собой несколько установленных в ряд плужных корпусов, закрепленных на стойках к поперечной балке рамы. Плужные корпуса расположены под одинаковым углом к направлению движения. В качестве плужных корпусов могут быть использованы любые рабочие органы, обеспечивающие отвал снимаемых слоев почвы шириной 35-40 см и глубиной 17-20 см с оборачиванием пластов на одну сторону образованием почвенных гребней 12.
Окучники 8 размещены в ряд и закреплены на стойках к средней поперечной балке рамы на расстоянии 35-40 см друг от друга. Окучники выполнены в виде двух соединенных плужных корпусов, разделяющих надвое снимаемые пласты почвы и оборачивающих их в разные стороны. При этом окучник образует два почвенных гребня. Ножи окучников расположены со смещением относительно ножей плужных корпусов так, чтобы борозды после вспашки окучниками проходили по середине уплотненных гребней, образованных плугом.
Многокорпусный плуг и окучники снабжены устройствами регулировки глубины вспашки (на фиг. не показаны). Устройство представляют собой винтовые пары, ведущими элементами которых являются конические шестерни с нарезанной на внутренней поверхности крупной резьбой. Вращение ведущих шестерен обеспечивает подъем или опускание плуга и окучников. Во вращение ведущие шестерни приводят смежные конические шестерни, проворачиваемые общим для каждой секции воротком, выведенным в одну из сторон агрегата.
За плугом и окучниками в рабочих секциях установлены прикатывающие катки 4, закрепленные в кронштейнах рамы 14. Катки представляют собой стальные полые цилиндры диаметром 30-35 см, длиной 1,2-1,5 м с толщиной стенки 10-15 мм.
Между плугом и катком в первой секции, а также окучниками и катком второй секции расположены форсунки 3, закрепленные на кронштейнах 17, установленных на поперечинах рамы. Количество форсунок соответствует числу плужных корпусов и окучников. Форсунки центробежные, снабженные завихрителем. Форсунки шлангами высокого давления соединены с нагнетательным баком 11. В нагнетательном баке, заполненном почвенным модификатором, постоянно поддерживается повышенное давление 1-2,5 бар, создаваемое сжатым воздухом от компрессора или баллона через редуктор.
Нагнетательный бак установлен на платформе 10, соединенной штангами 9 с блоками разгрузочного устройства. Каждый блок разгрузочного устройства состоит из рычагов 6, шарнирно соединенных с кронштейнами рамы 19, упругих элементов (пружин или торсионов) 5, также соединяющих рычаги с кронштейнами, и свободно вращающихся в отверстиях рычагов опорных валков 7. Рычаги установлены с возможностью поворота вокруг осей, закрепленных в кронштейнах лонжеронов рамы. В рычагах выполнены отверстия для осей валков и кулисы 21. Штанги 9 установлены во втулках 18, приваренных к косынкам 15 и кронштейнам 16 рамы. На концах штанг нарезана внутренняя резьба для соединения с платформой нагнетательного бака и Г-образными наконечниками. Наконечники штанг заходят в кулисы с возможностью скольжения по ним при изменении веса бака. Резьбовое соединение наконечника со штангой обеспечивает возможность регулировки рабочей длины штанги. Заданное положение наконечников в штангах фиксируют контргайками. Валки создают опорную поверхность для платформы нагнетательного бака, заполненного почвенным модификатором, на которую передается его вес.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Элювиальные почвы относятся к бесструктурным почвам, для которых характерно раздельно-частичное состояние, которое обусловливает плотную упаковку частиц и развитие, в основном, тонкокапиллярной пористости. Поэтому суглинистые и глинистые бесструктурные почвы имеют плохую водопроницаемость. Такие почвы плохо впитывают выпадающие осадки, в результате чего часть воды теряется с поверхностным стоком, что приводит к развитию эрозии.
В то же время бесструктурные почвы характеризуются очень высокой капиллярной проводимостью, вследствие чего по капиллярам вода легко поднимается к поверхности почвы и испаряется в атмосферу.
В результате интенсивного физического испарения запасы воды в бесструктурной почве быстро теряются, и она покрывается глубокими трещинами.
Заявляемое устройство направлено на оструктуривание элювиальных почв, их обогащение, формирование коллоидного комплекса и формирование слоя, достаточного для выращивания сельскохозяйственных культур.
В структурной почве создаются оптимальные условия водно-воздушного и теплового режимов. Благодаря наличию водопрочных агрономически ценных агрегатов в структурной почве присутствуют поры различного размера - от самых тонких капилляров в агрегатах и на их стыках до более крупных пор с диаметром в несколько миллиметров и более. Благодаря высокой водопроницаемости и влагоемкости структурная почва практически полностью впитывает влагу, поступающую на ее поверхность, предотвращается поверхностный сток и развитие эрозии. Даже при увлажнении до предельно-полевой влагоемкости в такой почве сохраняется хороший воздухообмен и протекают окислительные процессы.
Перед началом использования агрегата рычажно-гидравлические механизмы поднимают его опорные колеса и устанавливают его на прикатывающие катки, после чего заполняют бак почвенным модификатором. Агрегат цепляют к тянущему устройству, устанавливают плуг и окучники на нужную глубину вспашки вращением воротков приводных шестерен конических зубчатых пар устройства регулировки глубины вспашки. Размещают и закрепляют форсунки в зонах формирования вершин гребней почвы. За счет смещения плужных корпусов и окучников друг относительно друга, линии вершины гребней, формируемых данными рабочими органами, оказываются также смещенными друг относительно друга. Нагнетательный бак подключают к системе подачи сжатого воздуха и редуктором создают в нем необходимое давление. Источником сжатого воздуха может быть, например, баллон, закрепленный на раме агрегата или пневматическая система трактора.
0
При движении агрегата, прицепленного к трактору, плужные корпуса многокорпусного плуга вспахивают почву на глубину 17-20 см, отваливая и оборачивая пласт почвы на одну сторону. Центробежные форсунки с завихрителем, расположенные над каждым отваленным пластом (за каждым плужным корпусом), обливают его почвенным модификатором. Угол факела распыления модификатора составляет 50-100. На облитые почвенным модификатором пласты накатывается каток, который сплющивает отваленный пласт и вдавливает его в почву. При этом почвенный модификатор пропитывает смежные слои почвы. Выровненную катком поверхность почвы вспахивают окучники, разваливающие уплотненные катком пласты почвы на две стороны, образуя два гребня. Борозды от окучников расположены на средней линии пластов, отваленных плужными корпусами. При этом внутренние слои почвы, не обработанные почвенным модификатором, выносятся на поверхность и становятся доступными для обработки почвенным модификатором. Форсунки, расположенные за окучниками, обливают пласты почвы почвенным модификатором. На обработанные таким образом гребни накатывается второй прикатывающий каток, который уплотняет пласты, вдавливая их в почву, пропитывая почвенным модификатором смежные слои почвы. Во время движения и работы агрегата почвенный модификатор расходуется, что приводит к снижению веса нагнетательного бака. Разгрузочное устройство компенсируют изменение веса, обеспечивая передачу веса нагнетательного бака на почву, минуя катки. При заполнении нагнетательного бака штанги 9 платформы 10 передают его вес на рычаги, которые поворачиваются, растягивая пружины (или закручивая торсионы). При этом валки разгрузочного устройства опускаются друг за другом на уплотненную катками почву. При уменьшении веса нагнетательного бака во время работы агрегата пружина сжимается (или торсион раскручивается), поворачивая рычаги. В результате валки последовательно один за другим отрываются от поверхности почвы. При полностью опустошенном баке упругие элементы поднимают рычаги и все валки отрываются от поверхности почвы и не касаются ее. Таким образом, разгрузочное устройство обеспечивает передачу нагрузки от емкости с изменяющимся весом через опорные валки на почву, не оказывая, при этом дополнительного давления на рабочие секции агрегата.
Пример конкретного выполнения
Для реализации заявляемого изобретения был изготовлен опытный образец агрегата. Рама выполнена из гнутого швеллерного профиля длиной 3 м, шириной 90 см. Лонжероны рамы соединены тремя поперечными балками. На передней балке в ряд установлены три плужных корпуса и кронштейны крепления трех форсунок. На средней балке установлены три окучника и, соответственно, кронштейны крепления трех форсунок.
2
К лонжеронам рамы приварены кронштейны установки катков 14 и кронштейны крепления разгрузочного устройства 19. Катки диаметром 40 см и длиной 110 см, перекрывающие полосу вспахиваемой почвы, были установлены в кронштейны 14. Валки разгрузочного устройства, оси которых установлены в отверстия рычагов, выполнены из труб диаметром 60 мм и длиной 80 см. Суммарная опорная поверхность при полностью заполненном баке, оставленная следами опорных валков на почве составила 1200-1300 см.
При полностью заполненном баке рычаги разгрузочного устройства растягивали пружины и все валки опускались на поверхность почвы (фиг. 4). По мере опустошения бака пружины сжимались, поднимая рычаги с валками, которые поочередно отрывались от поверхности почвы.
Применение заявляемого устройства обеспечило большую эффективность в рекультивации элювиальных почв, чем простое поверхностное внесение торфогеля, так как за счет многократной обработки поверхностного слоя посредством вспахивания рабочими органами и придавливания катками, удалось сформировать равномерную почвенную структуру, состоящую из обогащенных гуматом (торфогелем) агрегатов. Обработка почвенного слоя в процессе использования заявляемого устройства ведется на глубину, обусловленную возможной глубиной обработки рабочими органами (в данном случае, до 20 см), достаточную для размещения корней культурных растений. Простое внесение модификатора на поверхность почвы не обеспечивает формирование структурных фракций почвы на такую глубину.