Ротационные машины в экологическом земледелии

УДК 631.31

С.Н. Киселев, канд. техн. наук, профессор Н.В. Перевозчикова, канд. техн. наук, доцент

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»

РОТАЦИОННЫЕ МАШИНЫ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ ЗЕМЛЕДЕЛИИ

Экологическое земледелие — это совокупность отраслей сельскохозяйственного производства, основанных на рациональном использовании земли с целью выращивания сельскохозяйственных культур без нарушения природной среды. К отраслями земледелия относятся полеводство, овощеводство, луговодство, садоводство, виноградарство и др.

Экологическое земледелие основано на применении органических удобрений и снижении количеств применяемых минеральных удобрений и средств защиты растений, а иногда и на отказе от них. Площади, занятые под экологическим земледелием, постоянно увеличиваются (рис. 1).

Экологически чистую обработку почвы можно проводить только тогда, когда она экономически выгодна.

При традиционной обработке почвы применяют плуги. Однако при этом на дне борозды образуется «плужная подошва», которая препятствует прониканию в нижние слои горизонта корней растений, затрудняет воздухообмен, вызывает эрозию почвы. Ресурсо- и энерго-влагосберегающие технологии обработки почвы, которые находят все большее распространение в нашей стране, исключают применение плугов.

При экологическом земледелии для основной обработки почвы используют ротационные машины — копатели, способствующие разуплотнению почвы. Поскольку для реализации обработки почвы требуются большие расход энергии и продолжительность времени, чем для других сельскохозяйственных операции (например, внесения удобрений, защиты растений), а расход энергии зависит от состояния почвы (гранулометрического состава, влажности, плотности и др.), то выбор технических средств обусловлен состоянием в котором находится почва. Одним из показателей, характеризующих расход энергии, является удельная работа, которая изменяется от 30 до 130 кДж/м3.

При обработке почвы ротационными копателями поступательное перемещение агрегата происходит одновременно с вращательным движением рабочего органа, что значительно увеличивает интенсивность воздействия рабочего органа на почву. В течение этого процесса большое значение имеет длина пути резания, которая изменяется у ротационных машин от 0,03 до 0,3 м.

В настоящее время наиболее распространены копатели фирмы Imants (США, Нидерданды), которые имеют более совершенный привод рабочих органов 2 (рис. 2, а) от ВОМ трактора. Проведенные в 2005 г. в Нидердандах независимые исследования PPO-AGV [3] основной обработки песчаной, суглинистой и глинистой почв (после уборки сахарной свеклы) ротационным копателем Imants 47 SP 300DRH и четырехкорпусным плугом показали, что копатель потребляет на 22 % топлива меньше, а производительность его на 56 % выше, чем у плуга.

При этом глубина перемещения копателя составила 27 см, плуга — 23 см (с разуплотнителем почвы 33 см). Орудия агрегатировали с трактором мощностью 92 кВт. Скорость движения агрегата с копателем составила 3,6 км/ч, с плугом — 4,7 км/ч.

Удельная энергоемкость такого копателя может достигать 100 кДж/м3. В этом случае значитель-

США

Аргентина

Италия

Канада

Польша

Латвия

Испания

Португалия

Германия

Греция

_1_

0

50

100

150

200

250

300

400 тыс. га

Рис. 1. Площади, занятые под экологическое земледелие, в разных странах мира

Рис. 2. Схемы копателей:

а — ротационного (Imants, США; Farmax, Нидерданды); б — с колебательным движением рабочих органов (Falc, Gramegna, CeШ, Selvatrici, Италия); 1 — рама; 2 — рабочий орган; 3 — привод;

4 — система навески; 5 — карданный вал

ная часть энергии передается через ВОМ и коэффициент рабочего времени составляет 0,8...0,85.

Наиболее распространены копатели, рабочие органы которых совершают колебательное движение (рис. 2, б). Рабочий процесс таких копателей аналогичен вскапыванию почвы лопатой вручную: лезвия поочередно входят в почву, отрезают пласт, приподнимают и отбрасывают назад по ходу движения агрегата.

Коленчатый вал копателя расположен перпендикулярно направлению движения, несколько кривошипов размещены с постоянным шагом. Рабочие органы 2 вращаются с частотой 100.172 мин-1. Поступательная скорость агрегата не превышает 2.3 км/ч. Заглубление лопаток происходит под постоянным углом наклона к вертикали, равным 5°, и сопровождается небольшим смещением лопатки по дуге (примерно на 2 см) во избежание смятия почвы тыльной частью лопатки. После достижения необходимой глубины лопатка движется по пологой кривой, отрывая и выбрасывая пласт почвы.

Преимущества копателей с колебательным движением рабочих органов: разуплотнение почвы, благодаря чему корневая система сельскохозяйственных культур может развиваться в самых плодородных, поверхностных слоях почвы; хорошая работа на переувлажненных почвах, где другие машины непригодны; регулирование толщины отрезаемого пласта; возможность работы с тракторами небольшой мощности; значительное снижение расхода топлива.

К недостаткам этих копателей относятся: неполный оборот пласта из-за незначительного отклонения от вертикали траектории режущей кромки лопаты в момент сбрасывания отрезанного пласта; скорость обработки не более 3 км/ч. В настоящее время спроектированы и испытаны различные модели копателей с 12-ю,

14-ю и 16-ю рабочими органами, расположенными в ряд при общей рабочей ширине до 4,5 м. Это позволяет оптимально использовать мощность трактора. Основные показатели таких копателей указаны в таблице.

В течение 16 лет ученые юга Франции [1] исследовали влияние разных систем обработки почвы: 1 — традиционной, с ис-

пользованием оборотного плуга (глубина обработки 40 см) в агрегате с колесным трактором мощностью 75 кВт и удельным расходом топлива 22 л/ч при последующей обработке бороной и фрезой; 2 — с применением ротационного копателя (ширина захвата 2,4 м), агрегатируемого с трактором мощностью 20 кВт и удельным расходом топлива 6 л/ч, при последующей обработке фрезой на глубину 10 см.

При испытаниях определяли: влажность почвы, содержание органического вещества в единице объема, наличие земляных червей, которые являются индикатором качества обработки почвы. Исследования проводили на глинистых почвах. Содержание влаги на обработанном участке копателем было больше, чем при обработке плугом, причем разница была особенно существенна на второй год.

Технические характеристики ротационных копателей

Фирма Модель Рабочая ширина, м Глубина, м Мощность, кВт Число рабочих органов Частота вращения ВОМ, мин-1 Скорость, км/ч Число передач Масса, кг

Celli NX/4 0,8 0,25 34 4 540 - 4 240

Celli NG/12 3,5 0,4 255 12 1000 - 4 2251

Celli NG/10 2,5 0,6 255 10 1000 - 4 2250

Falc 4200 4,1 0,35 245 16 540/1000 - - 2610

Falc 3100 3,1 0,5 325 10 1000 - - 2640

Gramegna V86/36 4,0 0,36 218 16 1000 2 2 2315

Gramegna V97/45 2,7 0,45 218 10 1000 2,3 2 2900

Imants 45 S 2,9 0,5 160 - 540/750/1000 5,3 - 2300

Imants 45 S 4,0 0,5 245 - 540/750/1000 5,3 - 3000

Imants 45 S 4,5 0,5 270 - 540/750/1000 5,3 - 3200

Selvatici 2514 3,5 0,7 340 28 540/1000 1,6 4 2610

Selvatici 4016 4,0 0,7 340 32 540/1000 1,6 4 2910

Selvatici 4516 4,5 0,7 340 32 540/1000 1,6 4 3090

Годы

— без обработки; = — обработка почвы копателем;

— традиционная обработка

Рис. 3. Влияние способа обработки почвы на содержание углерода

0

10

20

30

<3 X Б Ю

гч 40-

(-н

50-

60

cd

К

£

ю

к

I I I I I "»"

25 30 35 40 45 50 55 60 Содержание влаги, % а

0

10

20

30

40-

50

60

г-1—I—I—I—г

25 30 35 40 45 50 55 60

Содержание влаги, % б

—— — обработка почвы копателем , — обработка почвы плугом

Рис. 4. Влияние способов обработки почвы на содержание влаги:

а — непосредственно после обработки; б — через один год после обработки

Проведенные во Франции исследования показали [1], что система обработки почвы существенно влияет на содержание в почве углерода и биомассы, а также на относительную влажность почвы. Так, при традиционной системе обработки карбонатных почв плугом через один год количество углерода значительно уменьшилось — с 36,3 до 0,86 г/м2, а при обработке почвы ротационным копателем — до 30,04 г/м2 (рис. 3).

Через два года количество углерода еще больше снизилось: соответственно на 37 % и 23 %. Важно отметить, что через 10 лет количество углерода уменьшилось на 57 % при традиционной обработке, а при обработке копателями углерод полностью восстановился.

По сравнению с начальным содержанием биомассы (36,3 г/м2) после обработки почвы плугом отмечено уменьшение содержания земляного червя. При этом биомасса составила 0,78 г/м2, а при обработке ротационным копателем — 8,48 г/м2.

Позже биомасса постепенно увеличилась на обоих участках [1].

При исследовании влияния способов обработки почвы на относительную влажность почвы [1] выявлено, что при обработке почвы копателем влага значительно лучше распределяется по слоям почвы, что говорит о хорошем ее дренаже. На рис. 4 представлено распределение влаги по слоям 0-10 см сразу после обработки (рис. 4, а) и через один год (рис. 4, б).

При традиционной системе обработки почвы плуг создает «плужную подошву», что значительно снижает проникание влаги в нижние слои пахотного слоя. И наоборот, при обработке ротационным копателем создается более однородная, рыхлая структура почвы, что особенно важно при экологическом земледелии.

Чтобы определить качество обработки почвы различными ротационными машинами, ученые США [2] исследовали распределение заделанных

в почву по определенной методике керамических шариков. При этом использовали три фрезы Kuhn, Fobro, NWи копатель Gramegna. В процессе исследований установлено, что копатель более равномерно распределял шарики в почве, чем фрезы.

Список литературы

1. Bonneton A., Hartmann C., Blanchart E. and other.

Consequences of two tillage systems on Vertisol evolution and on working costs // Soil congress. — 2000.

2. Juzwik J. Incorporation of tracers and dozomet by rotary tillage and spading machines. // Soil and Tillage Research. — № 41. — 1997. — P. 237-248.

3. http:// www.ppo.wur.nl/UK.