Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,570

ОРУДИЕ ДЛЯ МЕЛИОРАТИВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ И ВНЕСЕНИЯ УДОБРЕНИЙ

Дубенок Н.Н. 1 Семененко С.Я. 2, 3 Абезин В.Г. 2, 3, 4 Марченко С.С. 2 Семененко А.С. 5
1 ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А. Тимирязева»
2 Поволжский научно-исследовательский институт эколого-мелиоративных технологий
3 ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет»
4 ФГБОУ ВО «Астраханский государственный университет»
5 Крестьянско-фермерское хозяйство Семененко А.С.
Разработано орудие для плоскорезной обработки почвы с одновременным внесением твёрдых органических и минеральных удобрений. Задача внедрения данной конструкции продиктована необходимостью создания благоприятного водно-воздушного и теплового режимов почвы, обеспечения усиления круговорота питательных веществ, уничтожения сорных растений и патогенной микрофлоры, заделывания в почву растительных остатков и удобрений, оптимальных водно-физических свойств почвы, увеличения мощности аккумулятивного горизонта. Для напорной подачи мелиорантов в подпахотный горизонт оно оборудовано дозатором и высоконапорным вентилятором. Использование орудия в условиях Нижнего Поволжья, за счёт увеличения эффективных влагозапасов на 10–30 %, будет способствовать повышению урожайности на 12–14 %, увеличению содержания минеральных элементов питания в пахотном горизонте до 20 %, снижению удельных расходов ГСМ (за счёт совмещения операций) до 20 %, увеличению комплексного критерия энергоэффективности до 15 %.
плоскорезная обработка
дисковый нож
реборды
тукопроводы
стрельчатая лапа
чизель
химмелиоранты
1. Абезин В.Г. Ресурсосберегающая почвозащитная технология механизированного возделывания и уборки бахчевых культур: учебное пособие. – Элиста: Калм. гос. ун-т, 1993. – 120 с.
2. Боярчук А.К., Головач Г.П. Дифференциальные уравнения в примерах и задачах : справочное пособие по высшей математике. – Т.5. – М.: Эдиториал УРСС, 2001. – 384 с.
3. Воробьев В.А., Калинников В.В., Колчинский Ю.Л. и др. Механизация и автоматизация сельскохозяйственного производства. – М.: КолосС, 2004. – 451 с.: ил.
4. Горячкин В.П. Собрание сочинений: в 3 ч. – Т. 2. – М., изд-во «Колос», 1965. – 459 с.
5. Кленин Н.И., Егоров В.Г. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. – М.: КолосС, 2004. – 464 с.: ил.
6. Листопад Г.Е., Демидов Г.К., Зонов Б.Д. и др. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины : под общ. ред. Г.Е. Листопада. – М.: Агропромиздат, 1986. – 688 с., ил.
7. Семененко С.Я., Абезин В.Г., Новиков А.Е. Орудие для мелиоративной обработки почвы // Патент Росси № 2488260. 2012. Бюл. № 21. 
8. Семененко С.Я., Абезин В.Г. Орудия для улучшения мелиоративного состояния орошаемых земель // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. – 2014. – № 1(33). – С. 196–201.
9. Халанский В.М., Горбачёв И.В. Сельскохозяйственные машины. – М.: КолосС, 2004. – 624 с.: ил.
10. Phillips M.C. Hon effective is CDA spraying. Arabec Farming, 1982, p. 50 – 51.

Сельскохозяйственное производство, в отличие от промышленного, имеет ряд особенностей, одна из которых заключается в том, что культурные растения, являясь основными средствами производства, в то же время выступают в качестве предметов, а в некоторых случаях и продуктов труда. При этом они имеют довольно ограниченную возможность и способность регулировать показатели внутренней среды (водный, пищевой и температурный режимы), что определяет высокую зависимость эффективности растениеводства от почвенно-климатических условий, а это положение чрезвычайно важно, поскольку растениеводство обладает статусом воспроизводимого ресурса жизнеобеспечения [1,8].

Наиболее важным направлением в совершенствовании системы обработки почвы является курс на минимализацию, в том числе на сокращение проходов машинно-тракторных агрегатов за счет исключения отдельных приемов, совмещение нескольких технологических операций, а именно глубоких рыхлений с мелкими поверхностными, что влечёт потребность в разработке новых орудий [6, 7, 9].

Целью исследований является разработка инновационной конструкции орудия для безотвальной обработки почвы, позволяющей одновременно с рыхлением производить заделку в пахотный горизонт органических удобрений и различных мелиорантов.

Материалы и методы исследования

Методологический замысел исследования основан на гипотезе о возможности создания комплексного орудия для минимализации глубины обработки почвы и внесения твердых органических и минеральных удобрений в пахотный горизонт за один проход агрегата. Работа выполнена с применением научно-философских методов анализа, синтеза и дедукции. Методической базой для разработки новой техники являются основные положения Федерального закона (с изменениями) «О техническом регулировании» (№ 184 – ФЗ от 27.12.2002, №45 – ФЗ от 09.05.2005, № 65 – ФЗ от 01.05.2007, №309 – ФЗ от 01.12.2007).

Результаты исследования и их обсуждение

Анализом теоретических и экспериментальных исследований установлено, что оптимальным вариантом совершенствования системы обработки почвы является совмещение плоскорезной обработки с глубоким чизельным рыхлением при одновременном внесении в почву удобрений и мелиорантов. Этот способ обеспечивает создание благоприятных условий для роста и развития растений и повышения урожайности, а также позволяет увеличить глубину пахотного горизонта [3, 5]. Схема орудия представлена на рис. 1.

dub1.tiff

Рис. 1. Орудие для мелиоративной обработки почвы: 1 – рама; 2, 3 – кронштейны; 4 – дисковый нож; 5 – реборды; 6 – стойка; 7 – клинообразная грудь стойки; 8 – кронштейны; 9 – крышка тукопровода; 10 – болты;11, 13 – щелерез; 12 – материалопровод; 14 – туковыпускные форсунки; 15 – башмак; 16 – лемехи; 17 – тукопровод; 18 – мелиорантопровод

Передняя заостренная часть 13 щелереза 11, покрытая твердым износостойким сплавом, обеспечивает снижение тягового сопротивления и длительное его заострение.

Минеральные удобрения, поступающие под напором, создаваемым вентилятором, под лапу 16, перемешиваются с разрыхлённым лапой слоем почвы, образуя насыщенный удобрениями корнеобитаемый слой, что и обеспечивает оптимальные условия для роста и развития сельскохозяйственных культур и повышения их урожайности [9, 10].

На раме 1 орудия для мелиоративной обработки почвы с помощью кронштейнов 2, 3 установлен вертикальный дисковый нож 4 с ребордами 5 для ограничения заглубления орудия. За дисковым ножом 4 на раме 1 орудия установлена вертикальная стойка 6, имеющая клинообразную грудь 7, сопряжённую с дисковым ножом 4. К стойке 6 с помощью кронштейнов 8 закреплена крышка тукопровода 9 с помощью болтов 10 для подачи удобрений и химмелиорантов. К стойке 6 закреплен щелерез 11, имеющий в задней части материалопровод 12 для химмелиорантов. Щелерез 11 в нижней части имеет заострение 13 и туковыпускные форсунки 14. При этом боковые отверстия форсунок отклонены назад от направления движения во избежание их засорения. За дисковым ножом 4 на нижней части клинообразной стойки 6 с помощью башмака 15 смонтированы лемехи 16, предназначенные для рыхления верхнего слоя почвы и подготовки к посеву сельскохозяйственных культур.

Передняя режущая кромка щелереза имеет наплавку твердым износостойким сплавом. Глубина обработки щелереза может регулироваться. На раме орудия или навесном устройстве трактора монтируются ёмкости для удобрений и химмелиорантов, снабжённые дозаторами, а также вентиляторами для напорной подачи (на чертежах не показаны) в тукопровод и мелиорантопровод. Привод дозаторов осуществляется от вала отбора мощности трактора, а вентиляторов – от гидромоторов.

Орудие работает следующим образом.

Перед началом работы ёмкости для удобрений или химмелиорантов заполняются реагентами, необходимыми для запланированной операции, при помощи реборд 5 лемехи 16 фиксируются в положении, соответствующем нужной глубине обработки и щелевания.

При движении орудия для мелиоративной обработки почвы лемехи 16 обеспечивают отделение слоя почвы в плоскости, параллельной поверхности почвы, и его измельчение. Во время работы орудия ниже уровня движения лемехов 16 подаётся под напором необходимый реагент, который пропитывает верхний горизонт почвы и создает наиболее подходящие условия для питания и развития растений. Щелерез 11 прорезает борозду, в которую током воздуха от вентилятора через отверстие – материалопровод 12 и выходные отверстия 14 поступает химмелиорант, где, взаимодействуя с почвенной влагой, гарантирует улучшение мелиоративного состояния обрабатываемого участка.

Дисковый нож 4 воздействует на слой грунта в вертикальной плоскости и на него действует:

1) сила, направленная параллельно плоскости ножа и вызываемая давлением его кромки на поверхность почвы;

2) силы бокового трения грунта.

Точка приложения равнодействующей силы сопротивления почвы R погружению ножа находится в середине дуги АВ лезвия ножа, и линия действия равнодействущей проходит через ось вращения диска [4].

Вращение диска обусловлено возниконвением момента от составляющей Rг, которая является тяговым сопротивлением ножа.

Составляющая Rв препятствует заглублению ножа. Она определяется суммированием нормальных давлений N, действующих на плоскости заточки диска, и реакции грунта погружению лезвия Rл.

При учете сил трения о плоскости заточки дискового ножа, то нормальные реакции будут N1, а их проекция на ось диска RN.

В этом случае выталкивающая сила определится следующим выражением:

Rв = Rл + RN. (1)

Рассматривая схему поперечного сечения ножа, можно записать

RN = N1 sin (α + φ), (2)

так как

db001.wmf,

то

db002.wmf, (3)

а выталкивающая сила

db003.wmf. (4)

Исследованиями [6] установлено, что

Rв=1,2Rг. (5)

При этом Rг зависит от показателя кинематического режима лезвия ножа:

db004.wmf (6)

где ω – угловая скорость, r – радиус диска, Vм – скорость движения орудия для мелиоративной обработки почвы.

Rг находится в обратнопропорциональной зависимости от λ. Закрепление дискового ножа перед рабочим органом отрицательно влияет на такие параметры, как заглубляемость и глубина обработки, снижая последнюю на 1…2 см, но при этом ощутимо уменьшает тяговое сопротивление на величину до 6,5 %.

Известны работы профессора Нерло Нерли, в которых обоснована зависимость, позволяющая определить тяговое усилие для дискового ножа [6]:

P = 2ρ R (0,586 в + 0,693 f h), (7)

для прямого вертикального дискового ножа

P = 2 ρ a (в + f h), (8)

где ρ – давление на единицу площади, а – глубина резания, в – толщина диска, h – высота заточенной части.

Диаметр дискового ножа, по предложению А.Н. Семенова, можно определять из уравнения [6]:

db005.wmf (9)

где a – глубина резания ножа, Δl – запас на микрорельеф почвы (10...20 мм), dф – диаметр фланца, равный 100 мм.

Толщина диска при этом принимается равной 0,01D, а угол заточки 2α=15...20°. .

Рабочим органом орудия для мелиоративной обработки почвы является плоскорежущая лапа, состоящая из двух лемехов, соединенных под углом в горизонтальной плоскости таким образом, что они образуют остроугольный клин. Поэтому при определении силы тяги необходимо учитывать формулы, геометрически описывающие форму рабочего органа.

В математическую модель, описывающую работу предлагаемого орудия, следует включить силу трения как один из основных параметров, так значения коэффициента трения почвы о металл весьма существенны, и колеблются в пределах f = 0,35…0,90, а угол трения j = 19…42° [5]. Плоскорежущая лапа (рис. 2) имеет угол схождения лемехов 2g, угол наклона a лезвий к линии, перпендикулярной к направлению движения клина, нормальные давления N на лезвия лемехов и движущую силу Р.

Силовой треугольник, образованный силами силами Р и N, для антифрикционного клина является замкнутым. Исходя из подобия треугольника АВС и силового треугольника, запишем выражение

db006.wmf (10)

Для учета силы трения требуется увеличить наклон лезвий лемехов на угол трения j

db007.wmf (11)

При этом

db008.wmf. (12)

Для плоскорежущей лапы при определении движущей силы из рациональной формулы В.П. Горячкина [4] для силы тяги Р=fG+кab+ερabV2 необходимо использовать второй член.

db009.wmf (13)

dub2.tiff

Рис. 2. Силы, действующие на лапу в горизонтальной плоскости

Параметры плоскорежущей лапы не оказывают существенного влияния на значения мертвого сопротивления fG и смещение объема почвогрунта в сторону со скоростью VερabV2. Для ускорения расчетов на практике наилучшим образом подходит упрощенная формула

db010.wmf (14)

где K – удельное сопротивление, кПа; а – глубина обработки, м; b – ширина захвата рабочего органа, м; n – число корпусов в орудии.

Существенными для математической модели движения рабочего органа в почвогрунте являются следующие параметры: угол a между горизонтальной плоскостью и лемехом плоскорежущей лапы; сила тяги Р, развиваемая на глубине обработки а; переносная скорость движения лемеха Vn; V0 – относительная скорость движения частицы пласта, находящейся на поверхности лемеха; Va – абсолютная скорость движения частицы пласта, находящейся на поверхности лемеха.

При движении лемеха с учетом оговоренных обозначений можно записать

db011.wmf (15)

Так как в момент соскальзывания с рабочей грани лапы частицы почвогрунта воздействие лапы на нее прекращается и частица будет иметь относительную скорость V0, то необходимо знать ее величину и направление. Величина скорости V0 в точке В находится в зависимости от величины Vn, а угол между вектором скорости и горизонтом равен a.

V0 = Vn cosa. (16)

Для дальнейших рассуждений делаем допущение о том, что сопротивление воздуха не влияет на движение частицы почвогрунта, а следовательно, на нее будет действовать только сила веса G.

dub3.tiff

Рис. 3. Схема движения частицы пласта

Начальные условия движения частицы при [2] t=0, х=0, z=0:

db012.wmf (17)

Запишем дифуравнения движения в проекциях на оси х и z:

db013.wmf (18)

После сокращения на массу m получим:

db014.wmf

Первый интеграл уравнения ẍ = 0, будет ẍ =С1. При начальных условиях t = 0, ẍ = V0 cosα или С1= V0 cosα. Заменив ẋ на dx/dt и проинтегрировав уравнение ẋ = V0 cosα получим:

x = V0 t cosa + C2. (19)

Для начальных условий t = 0, x = 0, C2= 0.

Таким образом,

x = V0 t cosa. (20)

Интегрирование второго дифференциального уравнения db015.wmf при заданных начальных условиях даст следующее выражение:

db016.wmf (21)

Для определения уравнения траектории движения частицы необходимо из уравнений движения исключить время.

Определив t из уравнения (20) и подставив его в уравнение (21), получим уравнение траектории частицы пласта, сошедшего с рабочей грани лапы:

db017.wmf (22)

Подставив вместо относительной V0 ее значение получим:

db018.wmf (23)

Таким образом, частица пласта, сходящего с лапы, движется по параболе, описываемой уравнением (23).

При работе плоскорежущей лапы вес пласта, движущегося по рабочей грани, имеет второстепенное значение, так как сила Р, необходимая для перемещения лапы, должна преодолеть сопротивление Р1 уплотнению частиц почвы, а затем скалыванию пласта по наклонному сечению (рис. 4).

Первоочередное значение при движении плоскорежущей лапы в слое почвогрунта имеет сопротивление уплотнению частиц почвы Р1, второй значимый фактор – сопротивление пласта скалыванию по наклонному сечению (рис. 4). Очевидно, что сила Р, необходимая для перемещения рабочего органа, должна преодолеть оба этих силовых фактора, по сравнению с которыми вес почвогрунта, движущегося по рабочей грани, не оказывает значимого влияния на работу устройства.

dub4.tiff

Рис. 4. Схема движения частицы пласта

При движении лемеха возникает нормальная реакция пласта N, и сила трения

db019.wmf.

В то же время, нижняя рабочая кромка при движении порождает реакцию почвогрунта R и силу трения – db020.wmf, где j и j1 – углы трения почвы о рабочую грань и нижнюю кромку лезвия.

Ввиду того, что давление рабочего органа на дно компенсируется его реакцией, то силовым фактором, оказывающим разрушающее действие на пласт, является сила N1. Сила N1 передается в толщу пласта, уплотняя его и скалывая под углом y к дну борозды. Значение площади сечения пласта по линии скалывания определим следующим образом:

db021.wmf (24)

где а, b – глубина обработки и ширина захвата плоскорежущей лапы.

Проекция силы N1 на направление движущей силы дает нам силу сопротивления пласта:

Р1 = N1 sin (a + j). (25)

Выводы

Разработанное орудие обеспечивает рыхление почвы, повышение плодородия и увеличение урожайности сельскохозяйственных культур на 15…25 %, при этом оптимальным вариантом внесения минеральных удобрений в корнеобитаемый слой является напорная их подача в воздушном потоке под стрельчатую плоскорежущую лапу на глубину 12…25 см с дозой внесения 0,1…0,6 т/га и допустимым отклонением от заданной дозы не более 10 %.


Библиографическая ссылка

Дубенок Н.Н., Семененко С.Я., Абезин В.Г., Марченко С.С., Семененко А.С. ОРУДИЕ ДЛЯ МЕЛИОРАТИВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ И ВНЕСЕНИЯ УДОБРЕНИЙ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 9. – С. 123-129;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=11840 (дата обращения: 27.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074