Карантинный сорняк горчак ползучий наносит огромный вред сельскохозяйственному производству во всем мире. Распространен во всех 14 областях Казахстана. По данным РГП «Фитосанитария» общая площадь его распространения с 650 тыс. га в 1965-1970 годы возросла в 2008 году до 2,6 млн. га. В результате засорения посевов и сельскохозяйственных угодий горчаком ползучим ежегодные потери продукции составляют более 3 млрд. тенге [1, 2].
В борьбе с горчаком ползучим применяются такие агротехнологические приемы как плантажная вспашка, многочисленная механическая обработка пара, полупара, мелиоративных полей (от 8 до 15 обработок). Однако в силу своей дороговизны и трудоемкости эти приемы борьбы не нашли широкого распространения.
По имеющимся в литературе данным лучшие результаты по борьбе с горчаком дает сочетание внесения гербицидов с приемами разноглубинной обработки почвы, поскольку установлено, что отрезки корней горчака менее 5 см практически не приживаются [3].
При разработке интегрированной системы борьбы с горчаком ползучим на посевах сельскохозяйственных культур в условиях богарного земледелия юго-востока страны Казахский НИИ защиты и карантина растений обосновал целесообразность одновременного рыхления почвы рабочими органами культиватора-плоскореза на глубину 10-12, 14-16 и 18-20 см [4]. При этом гибель горчака составила 60,9 %, что безусловно свидетельствует о высокой эффективности такого технологического приема, а при одновременном внутрипочвенном внесении равномерным экраном раствора гербицидов на глубину 14-16 см степень уничтожения горчака резко повышается.
В связи с изложенным возникла необходимость создания трехъярусного культиватора-плоскореза с одновременным внутрипочвенным внесением гербицидов под второй ярус на глубину 12-14 см.
В принципе особых трудностей при разработке такого орудия не возникает поскольку у КазНИИМЭСХ имеется большой опыт создания выпускаемых серийно культиваторов-плоскорезов КПН-4, КПШ-5, КПШ-9, КПШ-11, ОПТ-3-5.
Для внесения гербицидов одновременно с обработкой почвы создано и освоено производство навесного оборудования, которое устанавливается на различных типах почвообрабатывающих машин, например ОКЖ-5,6 (ООО «Агро-Тех», Ростовская область, г. Таганрог) и др., и позволяют обеспечить подачу заданного объема раствора гербицидов на 1 га (примерно 100-120 литров).
В основу широкозахватной (990 мм) плоскорезной лапы культиваторов-плоскорезов положен прямой клин с углом постановки ножа ко дну борозды 
и углом 
к направлению движения и высотой подъема пласта ОZ = h = 35 мм (рис. 1).
Рис. 1. К анализу работы плоскорезной лапы
В связи с этим движущийся по поверхности косопоставленного клина пласт почвы со скоростью vr будет сходить под некоторым углом – e к направлению её поступательной скорости vn [5]. При этом высота и дальность полета пласта почвы определяются параметрами траектории полета как тяжелой материальной точки М брошенной под углом αr к горизонту с определенной скоростью vr. Между нижней поверхностью сходящего с лапы пласта почвы и дном борозды образуется незначительное по высоте, длине и ширине свободное от почвы пространство. Поэтому возникают определенные трудности в обеспечении допустимой ±(5,0 ÷ 10,0) % неравномерности распределения экрана гербицидного раствора по площади под широкозахватной плоскорезной лапой. Это обстоятельство предопределяет целесообразность применения щелевых распылителей раствора гербицидов (например, типа ST), формирующих незначительной толщины плоский конусный факел распыла с углом при вершине 80°-120°. Это позволит устанавливать под широкозахватную лапу меньшее количество распылителей, что упрощает конструкцию и снижает вероятность забивания в процессе работы выходных отверстий распылителей системы.
Диаметр отверстия (калибр) щелевого распылителя зависит от заданного (100-120 л) объема подачи гербицидного раствора на 1 га. При ширине захвата 3-х ярусного культиватора-плоскореза 2,77 м, скорости его движения 8 км/ч и норме внесения раствора 120 л/га объем подачи раствора под одну лапу будет равен 1,3 л/мин. При установке, например, семи щелевых распылителей на ширину захвата лапы объем подачи раствора одним распылителем будет равен 0,19 л/мин, что обеспечивается, например, серийно выпускаемым распылителем ST 110-01.
Распылители целесообразно располагать по контуру заднего обреза подлапника лапы толщиной 16 мм на высоте примерно 27 мм от поверхности дна борозды и ниже на 8 мм горизонтальной поверхности подлапника (рис. 2).
Формируемый щелевым распылителем плоский конический факел, плоскость которого должна быть параллельна дну борозды, встретится со сходящим с лапы пластом почвы в точке А (см. рис. 2). Пласт почвы насыщенный гербицидным раствором под действием силы тяжести опустится на дно борозды и должен образовать гербицидный экран, который и будет уничтожать непосредственно или препятствовать развитию расположенной ниже дна борозды корневой системы горчака ползучего. Контур и координаты линии пересечения факела распыла и нижней плоскости пласта сходящей с лапы почвы и будут определять необходимое количество распылителей под лапой и угол отклонения оси факела относительно направления её поступательной скорости. Определение рациональных значений этих параметров и позволит обеспечить необходимую равномерность распределения раствора по площади под лапой.
Траекторию полета пласта почвы сходящего с лапы можно рассматривать как движение тяжелой материальной точки М, брошенной под углом к горизонту αr с определенной скоростью vr (рис. 2).
Рис. 2. К определению параметров траектории полета сходящего с лапы пласта почвы
Траектория движения брошенной под углом αr к горизонту тяжелой материальной точки М в системе координат ХМZ определяется уравнением [6]
(1)
где lXA – дальность полета почвы в точке М; g – ускорение свободного падения тела; hz – высота траектории полета почвы в точке М.
Найдем уравнение этой траектории в непараметрической форме. Для этого из первого уравнения системы (1) определим t, подставим во второе уравнение и после преобразования получим
. (2)
Для определения дальности полета почвы в точке М положим в (2), что hz = 0. В этом случае
,
т.е. получим две точки пересечения траектории с осью МХ, т.е. начала координат 
и
(3)
Для нахождения максимальной высоты подъема траектории 
приравняем в (2) производную 
нулю, и, преобразуя, найдем
(4)
В формулах (3) и (4) скорость брошенного под углом к горизонту пласта почвы для плоскорезной лапы принимаем равной его относительной скорости перемещения по поверхности ножа лапы, т.е. vr.
По экспериментальным и расчетным данным [5] для плоскорезной лапы с параметрами α0=250, g=35°, h=35 мм и её поступательной скорости 2,17 м/с (≈7,8 км/ч) относительная скорость перемещения почвы по поверхности ножа лапы vr ≈ 1,7 м/с.
Угол 
, образованный вектором относительной скорости перемещения почвы по поверхности ножа с горизонтальной плоскостью у плоскорезной лапы (см. рис. 1), является фактическим углом резания и находится по формуле [5]
, (5)
где g′ – угол между проекцией скорости vr на горизонтальную плоскость и лезвием ножа косопоставленного клина и равен [5]
. (6)
Угол 
, характеризующий отклонение вектора скорости перемещения пласта почвы по поверхности ножа от перпендикуляра к его лезвию (см. рис. 1), при указанных выше параметрах лапы и скорости её поступательного движения будет равен примерно 45° [5]. Тогда согласно (6) и (5) угол g′ ≈ 41°, а фактический угол резания αr будет равен ≈ 17°.
Угол ε, характеризующий отклонение вектора 
от 
на поверхности ножа, определится из соотношения [5]
, (7)
где b – угол скоса ножа лапы и определяется по известной формуле 
и при g= 35°и α0=25°b будет равно 37° Тогда угол ε согласно (7) будет равен 8°, т.е. пласт почвы при сходе с лапы будет двигаться в направлении к продольной в горизонтальной плоскости оси лапы, поскольку |g′| > |γ|.
Для определения времени движения t пласта почвы из точки М в точку А (см. рис. 2) подставим в первое уравнение системы (1) значение lXA (3) и преобразуя получим
. (8)
При ar= 17° и vr=1,7 м/с согласно (8), (3) и (4) t=0,1 секунде, путь lXA= 16,5 см и высота hz = 1,2 см.
Зная длину lXA= 16,5 см и угол e= 8° представляется возможным построить предполагаемый контур линии пересечения факела распыленного раствора гербицида с нижней плоскостью пласта почвы. При этом в зависимости от скорости движения агрегата и физико-механических свойств почвы сход почвы в точке М может произойти как с поверхности заднего контура полапника при небольшой скорости движения агрегата, так и с верхней точки ножа лапы при более высоком значении этой скорости. Для построения предполагаемой контурной линии пересечения берем произвольные близко расположенные между собой точки схода пласта с подлапника и отложив в направлении 
длину траектории lXA = 16,5 см, получим линию АпАп (рис. 3).
Рис. 3. К определению размещения щелевых распылителей для подачи раствора гербицида под плоскорезную лапу
Аналогичным образом строим контурную линию АнАн при сходе пласта с верхней точки ножа лапы. Поскольку в процессе работы фактическое положение контурной линии будет меняться между её крайними положениями АпАп и АнАн, то для расчета необходимого числа распылителей и направления оси факела распыла целесообразно построить контурную линию АсАс, расположенную между контурными линиями АпАп и АнАн, (см. рис. 3).
Для обеспечения равномерного распределения раствора гербицида по площади под лапой проекции длины линий пересечения факела конусного распылителя с пластом почвы на характеризующую ширину захвата лапы линию должны быть равными между собой. Это условие представляется возможным выполнить только лишь в случае если осевая линия конусного факела распыла будет перпендикулярна контурной линии пласта почвы, например, линии АсАс, а вершина конусного факела будет находиться на одинаковом от этой линии расстоянии. При использовании щелевого распылителя с углом факела 110°, для плоскорезной лапы с шириной захвата 990 мм потребуется семь форсунок. Схема их размещения (три с правой и три с левой стороны лапы и одна по центру) приведена на рис. 3. Таким образом, если контурная линия пересечения АсАс, не будет менять свои координаты (положение), а каждая из семи форсунок будет подавать в единицу времени одинаковый объем раствора, то необходимая равномерность распределения жидкости по площади под лапой будет обеспечена.
Однако в процессе работы из-за изменения скорости движения агрегата, физико-механических свойств почвы и глубины рыхления контурная линия пересечения сходящего с лапы пласта почвы с факелом может находиться в любом положении между их крайними координатами АпАп и АнАн. В этом случае, поскольку координаты размещения распылителей не меняются, длина линий пересечения факела и почвенного пласта у каждого распылителя будут разные. Это не позволит обеспечить необходимую равномерность распределения жидкости по площади под плоскорезной лапой.
Таким образом, при внесении гербицидного раствора под широкозахватную плоскорезную лапу с использованием принципа подачи факела распыла жидкости под сходящий с лапы пласт почвы практически неприемлем.
Решить поставленную задачу представляется возможным при использовании свободного от почвы подлапового пространства. При этом в качестве контурной линии пересечения факела распыла принять лезвие ножей лапы, расположив должным образом распылители по линии заднего контура подлапника. В этом случае, если каждая из форсунок будет подавать в единицу времени одинаковый объем раствора, то равномерность распределения жидкости по площади будет обеспечиваться, поскольку координаты свободного от почвы подлапового пространства не меняются при изменении скорости движения агрегата, физико-механических свойств почвы и глубины рыхления. К тому же значительное расстояние лезвия ножей лапы от заднего контура подлапника позволит увеличить длину линии пересечения факела распыла с ножом. Это позволит сократить число распылителей под одну лапу с семи до четырех. Положение распылителей в этом случае и линии факелов распыла приведены на рис. 3.
Результаты этих теоретических исследований подлежат экспериментальной проверке.