Development of a machine for tillage and sowing of grain crops

Full Text

Введение

Многократная вспашка почв, которая до недавнего времени считалась основой земледелия, не отвечает вызовам нового тысячелетия. В современном сельском хозяйстве нет места для столь варварских и разрушающих естественную структуру почв технологий. Сберегающее земледелие не только позволяет повысить урожайность, но также сокращает расходы на подготовку пахотных угодий, способствует оздоровлению почвы, направлению почвообразовательного процесса в его естественное состояние [1–3].

Приверженцы традиционного земледелия используют метод отвальной вспашки, который предполагает механическое воздействие на плодородный слой почвы отвальным плугом. Такой сельскохозяйственный агрегат буквально вонзается в почву, оборачивает и крошит пахотный слой на глубине до 20 см и более. Считается, что таким образом почва насыщается кислородом и становится пригодной для засева. На практике отвальная вспашка способствует развитию эрозионных процессов, накоплению талых вод [4, 5].

Более щадящим вариантом обработки почв считается безотвальная обработка почвы, которая снижает риск эрозии и способствует повышению активности микроорганизмов. Но и она в полной мере не удовлетворяет принципам сберегающего земледелия [6–7].

Сберегающее земледелие предполагает рационализацию севооборота, в который важно включать не только рентабельные культуры, но и повышающие плодородность, вдумчивый подход к выбору средств борьбы с болезнями растений, вредителями, применение комбинированных сельскохозяйственных агрегатов, обеспечивающих выполнение нескольких операций за один проход [8, 9].

В мировой практике известны случаи успешного внедрения сберегающего земледелия в странах с засушливым климатом, где уровень осадков не превышает 250–300 мм. Щадящая обработка уместна и при высоких показателях увлажнения (более 700–800 мм). Технологии беспахотной обработки и их гибриды (например, Strip-Till) работают на очень легких суперпесчаных и тяжелоглинистых почвах.

При принятии решения о переходе к сберегающему земледелию, стоит учитывать климатические особенности региона, биологические характеристики и требовательность выращиваемых культур [9].

У минимальной и нулевой технологий обработки почв есть свои неоспоримые плюсы, но есть и негативные моменты, о которых также не стоит умалчивать. К достоинствам беспахотной обработки можно отнести:

• снижение затрат за счет использования многофункциональной техники, отказа от пахотных работ;
• эффект мульчирования, снижение риска эрозии, образования жесткой корки на поверхности почвы;
• сохранение однородного, постоянного почвенного профиля, что благоприятно влияет на формирование корневой системы растений;
• отсутствие необходимости ждать пока почва просохнет в период между вспашкой и предпосевной обработкой;
• благоприятные условия для развития и жизнедеятельности представителей полезной микрофауны (дождевых червей).
• постепенное естественное снижение процента самосеющихся поверхностных сорняков.

Среди минусов указанной технологии стоит отметить:

• высокую стоимость современной сельскохозяйственной техники, сложности с ее обслуживанием и ремонтом;
• необходимость тщательного измельчения пожнивных остатков, что приводит к увеличению времени ожидания подсыхания почвенного профиля весной;
• риск появления грунтовых вредителей, слизней, стеблеедов, повышение концентрации в почве возбудителей фузариоза, корневой гнили и других болезней, увеличение количества сорняков (на начальных этапах).

Предупредить негативные последствия беспахотной обработки позволяет комплексный поход к внедрению сберегающего земледелия, который предполагает использование эффективного оборудования и безопасных для экосистемы методов борьбы с сорняками, вредителями и патогенными микроорганизмами.

В настоящее время многие зарубежные и российские научно-исследовательские институты и конструкторские бюро уделяют значительное время разработке перспективных образцов сельскохозяйственной техники. При этом, особое внимание уделяется сельскохозяйственным машинам, связанным с подготовкой почвы и посевом различных культур, так как от этих видов работ в значительной степени зависит и их урожайность.

В связи с этим в данной работе авторы акцентируют внимание на кратком анализе предлагаемых различными производителями образцов посевных машин, обеспечивающих подготовку почвы и посев зерновых культур в рамках реализации энергосберегающей технологии, а также описанию конструкторской разработки собственной посевной машины.

Среди зарубежных конструкций можно выделить сеялку [10], «содержащую вращающиеся на полых валах режущие диски сферической формы, установленные под углом по отношению к плоскости почвы и обращенные к ней своей вогнутой частью, при этом эти диски наклонены перпендикулярно направлению движения сеялки» [6]. Ее недостатком является полосовая обработка почвы, так как режущий диск заглублен в почву только наполовину, а между дисками имеются необработанные полосы, занимаемые потом сорняком.

В России широко используется сеялка-культиватор «СКСС-2,5», «содержащая вращающиеся на полых валах режущие диски сферической формы, установленные под углом по отношению к плоскости почвы и обращенные к ней своей вогнутой частью, при этом режущие диски наклонены в направление движения сеялки» [6], т.е. в секущей плоскости, параллельной направлению движения сеялки-культиватора и перпендикулярной плоскости почвы передняя часть режущих дисков опущена, а задняя приподнята, образуя щель в 20 мм, при этом угол между плоскостью вращения и горизонтом обрабатываемой почвы равен 2°30’.

Данное устройство может быть использовано как сеялка, в которой семена проходят сквозь ось вращения режущих дисков и попадают в желоб, образованный диском в почве, а устройство заделки семян в почву выполнено в виде задних прикатывающих катков.

Недостатком сеялки-культиватора «СКСС-2,5» является то, что режущие диски, наклоненные в направлении движения сеялки-культиватора, оказывают такое же лобовое сопротивление, как и стрельчатые лапы у общеизвестных сеялок или культиваторов, что приводит к увеличению массы, так как большие нагрузки испытывают высокие стойки, на которых размещены режущие диски, и скоростная обработка не может быть выполнена.

Также известна сеялка [11], «содержащая вращающиеся на полых валах режущие диски сферической формы, сориентированные под углом 2°30’ по отношению к плоскости почвы и обращенные к ней своей вогнутой частью, при этом режущие диски наклонены в направлении движения сеялки, то есть, установлены под нулевым градусом. Ее недостатком является то, что установленные под нулевым углом режущие диски оказывают большое лобовое сопротивление, что приводит к повышенному расходу топлива» [6] и увеличению массы из-за больших ударных нагрузок.

Среди сеялок-культиваторов также можно выделить машину [12], обеспечивающую подачу семян сквозь полые оси вращения режущих дисков сферической формы, которые установлены в ряды под очень маленьким углом по отношению к поверхности почвы и обращены к ней вогнутой частью с возможностью перемещения наклона режущих дисков в диапазоне от 0°, когда диски наклонены в направление движения, и до 90°, когда наклон режущих дисков перпендикулярен этому направлению; причём в одном ряду наклон режущих дисков одинаков, а в соседнем противоположный и диски второго ряда в перпендикулярном направлении смещены относительно дисков первого ряда.

Недостатками этой сеялки-культиватора являются невозможность точной настройки наклона режущих дисков для разных почв, обеспечивающих работоспособность сеялки, накопление за вторым рядом режущих дисков пожнивных остатков и почвы, и, как следствие, некачественная заделка семян. В итоге имеет место сложная нетехнологичная конструкция, как при ее производстве, так и в процессе её эксплуатации.

Цель исследований

Целью данной работы является разработка конструкции сеялки, позволяющей при максимальном упрощении конструкции по сравнению с аналогами, снижении металлоёмкости и повышении технологичности изделия, как в производстве, так и в эксплуатации, обеспечить наилучшие условия роста посевных культур и значительный прирост урожайности. За один проход сеялка высевает основную культуру, мелкосемянную культуру (бинарный компонент) и вносит минеральные удобрения, а также может быть использована при вводе в оборот бросовых и залежных земель.

Материалы и методы

Для достижения поставленной цели авторами использованы достижения российских и зарубежных авторов, разработки которых направлены на создание конструкций посевных машин, обеспечивающих подготовку почвы и посев зерновых культур в рамках реализации энергосберегающей технологии [13–17]. При разработке собственной конструкции сеялки использовались методы системного анализа, математического моделирования, планирования эксперимента [18–23]. Экспериментальные исследования проводились в полевых и лабораторных условиях в соответствии с существующими методиками, с использованием современных электронных и механических приборов. Обработка экспериментальных данных проводилась в среде системы «MathCAD», «Microsoft Office Excel».

Результаты и обсуждение

Авторское проектное решение сеялки направлено: на упрощение конструкции по сравнению с приведёнными выше образцами, снижение металлоёмкости и повышения технологичности изделия, как в производстве, так и в эксплуатации.

Для этого в сеялке, содержащей подачу семян сквозь полые оси вращения режущих дисков сферической формы, которые установлены в ряды под углом в несколько градусов по отношению к поверхности почвы и обращены к ней вогнутой частью с возможностью перемещения наклона режущих дисков в диапазоне от 0°, когда диски наклонены в направлении движения, и до 90°, когда наклон дисков перпендикулярен этому направлению, при этом в одном ряду наклон режущих дисков одинаков, а в соседнем противоположный и диски второго ряда в перпендикулярном направлении смещены относительно дисков первого ряда, согласно данному заявлению, сеялка снабжена режущими дисками третьего ряда в перпендикулярном направлении смещенными относительно режущих дисков первого и второго рядов на разный шаг, перекрывая зоны обработки почвы и исключая необработанные пропуски.

Сеялка имеет одноплоскостную трубчатую раму с плоскими лапами, в каждой из которых выполнено отверстие. В это отверстие вставлена ось вращения, изготовленная с буртиком, установленным с зазором у выпуклой части режущего диска, на ось напрессован подшипник, неподвижное внутреннее кольцо которого упирается в буртик с радиальным сальником.

Снаружи подшипника установлен корпус, фиксирующий вращающееся наружное кольцо подшипника упором в корпус и стопорной шайбой, установленной у буртика. На юбке корпуса выпуклой частью сферический режущий диск закреплен болтами, а сверху корпуса установлен неподвижный отбойник, охватывающий упор корпуса и упирающийся со стороны своей юбки во внутреннее кольцо подшипника, а с противоположной — в плоскость лапы, в которой с помощью шайбы и гайки зафиксирован весь узел. При этом упор корпуса защищён от внешней среды торцовым и радиальным сальниками.

Плоскость прилегания отбойника к лапе выполнена под углом к плоскости торцовой поверхности внутреннего кольца подшипника и установлена с максимальным зазором в сторону наклона режущего диска.

За последним рядом режущих дисков установлены дополнительные разрыхлители в виде вертикально установленных сферических дисков с чередованием зубцов и пазов по режущей кромке, парами над каждым режущим диском с противоположным углом атаки, слева и справа относительно направления движения сеялки.

Для подачи семян сеялка снабжена бункером с нижними выходами на корпуса двух рядов высевающих аппаратов. В каждом корпусе, между двумя щеками расположен цилиндрический дозатор, в ребре пересечения торцовой и цилиндрической поверхностей которого выполнены ниши для захвата семян. Дозатор захватывает семена снизу, поднимает вверх и выбрасывает в семяпроводы.

В отличие от сеялки-культиватора [12] в предлагаемом проектном решении упрощена конструкция, снижена масса и улучшена технологичность изделия на простой раме, сваренной в одной плоскости из труб, но достаточно свободной для прохождения пожнивных остатков и частичек почвы, с одной стороны установлены стойки с лапами для монтажа дисков, а с другой — для монтажа бункера. Плоскость крепления лап для установки дисков максимально приближена к поверхности почвы, что снизило нагрузки на раму и позволило уменьшить её материалоёмкость.

Опыт эксплуатации посевных машин показал, что для разных условий почв и рельефа требуется точная подстройка наклона дисков, которая в данной модели выполняется простым поворотом отбойника, плоскость контакта которого с плоскостью лапы выполнена под углом по отношению к торцу внутреннего кольца подшипника. Чтобы изменить наклон диска на небольшую величину для точной настройки необходимо отпустить гайку, повернуть отбойник на нужный угол и снова затянуть гайку. Также благодаря новой компоновке подшипникового узла упростилась его конструкция, повышена его надёжность и технологичность.

Такие технические решения упростили конструкцию сеялки, снизили её металлоемкость, а, значит, и массу, что позволило применить тракторы меньшего класса с меньшим расходом топлива. Кроме того, упростилась настройка угла атаки дисков, а дополнительная установка разрыхлителей снизила засоряемость сеялки пожнивными остатками.

Окончательную заделку семян первого ряда производят диски второго ряда, затем работают диски третьего ряда и разрыхлители, а за ними установлен каток из набора колес, который прикатывает семена после разрыхлителей, уплотняет и выравнивает почву (рис. 1).

 

Рис. 1. Визуализация электронной модели сеялки: а — при виде слева при взгляде в направлении движения сеялки; b — при виде снизу: 1 — сцепка; 2 — рама; 3 — траверса; 4, 5, 6, 7 — двуплечие рычаги; 8, 9 — уши; 10, 11 — гидроцилиндры; 12 — опора; 13 — парные колеса; 14, 15 — колёса; 16 — лапы; 17 — диски; 18 — стойки; 19 — амортизаторы; 20 — бункер; 21 — диск привода высевающего аппарата; 22 — карданный вал; 23 — редуктор; 26 — семяпроводы; 27 — стойки, 28 — разрыхлители; 29 — полая ось вращения; 30 — разбрасыватель; 31 — дозаторы.

Fig. 1. Visualization of the electronic model of the seeder: а — when viewed from the left when looking in the direction of movement of the seeder; b — when viewed from below: 1 — hitch; 2 — frame; 3 — traverse; 4, 5, 6, 7 — double-shouldered levers; 8, 9 — ears; 10, 11 — hydraulic cylinders; 12 — support; 13 — paired wheels; 14, 15 — wheels; 16 — paws; 17 — discs; 18 — racks; 19 — shock absorbers; 20 — hopper; 21 — drive disc of the seeding machine; 22 — cardan shaft; 23 — gearbox; 26 — seed ducts; 27 — racks, 28 — baking powder; 29 — hollow axis of rotation; 30 — spreader; 31 — dispensers.

 

Особенности конструкции сеялки-культиватора

Особенности разработанной конструкции сеялки представлены на рис. 1–3. На всех рисунках используется общая нумерация элементов конструкции. Сеялка включает в себя: сцепку 1; раму 2; траверсу 3; двуплечие рычаги 4, 5 и 6, 7; уши 8, 9; крепления гидроцилиндров 10, 11; вращающуюся вокруг своей оси опору 12; на которой смонтированы парные колеса 13; а катки выполнены в виде колёс 14 и 15; установленные парами в шахматном порядке. На чертежах представлена дугообразная сцепка 1, под которой расположены передние колёса 13, но сцепка может быть выполнена плоской, а парные колеса 13 могут быть разнесены на края сеялки с установкой дополнительной опоры 12 (см. рис. 3).

 

Рис. 2. Визуализация электронной модели сеялки при виде сверху: 1 — сцепка; 2 — рама; 3 — траверса; 14, 15 — колёса; 16 — лапы; 17 — диски; 20 — бункер; 21 — диск привода высевающего аппарата; 22 — карданный вал; 27 — стойки, 28 — разрыхлители.

Fig. 2. Visualisation of the electronic model of the seeder in top view: 1 — hitch; 2 — frame; 3 — traverse; 14, 15 — wheels; 16 — paws; 17 — discs; 20 — hopper; 21 — drive disc of the seeding machine; 22 — driveshaft; 27 — racks, 28 — baking powder.

 

Рис. 3. Общи вид физического прототипа разработанной сеялки-культиватора: 1 — сцепка; 2 — рама; 10 — гидроцилиндры; 12 — опора; 13 — парные колеса; 14 — колёса; 16 — лапы; 17 — диски; 18 — стойки; 20 — бункер; 21 — диск привода высевающего аппарата; 22 — карданный вал; 23 — редуктор; 24 — шестигранный вал привода высевающих аппаратов; 25 — высевающие аппараты; 27 — стойки, 28 —разрыхлители.

Fig. 3. General view of the physical prototype of the developed cultivator seeder: 1 — coupling; 2 — frame; 10 — hydraulic cylinders; 12 — support; 13 — paired wheels; 14 — wheels; 16 — paws; 17 — discs; 18 — racks; 20 — hopper; 21 — drive disc of the seeding machine; 22 — cardan shaft; 23 — gearbox; 24 — hexagonal the drive shaft of the seeding machines; 25 — seeding machines; 27 — racks, 28 — baking powder.

 

На раме 2 установлены лапы 16 по наклону дисков 17, а сверху рамы установлены стойки 18 с пятками для амортизаторов 19 бункера семян 20. На дополнительной стойке 27, установленной на раме 2, смонтированы разрыхлители 28. На лапах 16, приваренных к стойкам рамы 2, смонтированы режущие диски 17 с подшипниковыми узлами.

Диск привода 21 высевающих аппаратов смонтирован с возможностью вращения от колеса 14, но может быть установлен с заглублением в почву и при движении сеялки начинает вращать карданный вал 22 и редуктор 23, шестигранный вал привода высевающих аппаратов 24 которого проходит сквозь высевающие аппараты 25, семена из которого попадают в семяпроводы 26, а затем через полые оси под диски 17 в почву.

В качестве примера практической реализации на рис. 3 приведено фото общего вида физического прототипа разработанной сеялки-культиватора.

Функционирование сеялки-культиватора

Сеялка-культиватор работает следующим образом. В статическом состоянии гидроцилиндры 10 и 11 опускают раму 2 в рабочее положение, с учётом глубины заделки семян, и на ровной плоскости производят настройку наклонов режущих дисков 16 с помощью отбойников, как было описано выше. После протяжки гаек сеялка готова к работе. Гидроцилиндрами 10 и 11 рама 2 переводится в транспортное положение, режущие диски отдаляются от поверхности почвы и сеялка перемещается на поле. Двуплечие рычаги 4, 5 и 6, 7 позволяют, при одновременной работе гидроцилиндров 10 и 11, перемещать режущие диски практически параллельно поверхности почвы.

При перемещении сеялки, например, трактором МТЗ-80, после опускания рамы 2, режущие диски 16 входят во взаимодействие с почвой, вращаясь вокруг своей оси и, погружаясь в неё, подрезают пласт почвы, формируя желоб для семян.

Одновременно с этим начинает вращаться колесо 21 привода высевающих аппаратов и семена с помощью дозаторов 31 начинают поступать в семяпроводы 26, проходят через полую ось вращения 29 и разбрасывателем 30 направляются под пласт на желоб. Высеваемые семена первого ряда режущих дисков 16 заделываются в почву подрезанным пластом и режущими дисками второго ряда, затем третьего ряда, а пожнивные остатки и накапливаемая за третьим рядом почва из крупных комков измельчаются разрыхлителями 28 и окончательно прикатываются задними колесами 14 и 15.

В отличие от известных аналогов в предлагаемом техническом решении упрощена конструкция, снижена масса и улучшена технологичность изделия — на простой раме, сваренной в одной плоскости из труб, но достаточно свободной для прохождения пожнивных остатков и частичек почвы, с одной стороны установлены стойки с лапами для монтажа дисков, а с другой — для монтажа бункера. Плоскость крепления лап для установки дисков максимально приближена к поверхности почвы, что снизило нагрузки на раму и позволило уменьшить ее материалоёмкость. Эксплуатационная масса разработанной авторами конструкции сеялки составляет около 1500 кг (см. рис. 3), а соответственно трёх её секций с рабочей шириной захвата 9 м — 4500 кг, что позволяет агрегатировать её с трактором МТЗ-80. Это значительно меньше по сравнению с аналогами [6, 11, 12].

В предложенной конструкции сеялки выполняется точная подстройка наклона дисков, что просто реализуется поворотом отбойника, у которого плоскость контакта с плоскостью лапы выполнена под углом по отношению к торцу внутреннего кольца подшипника. Кроме того, благодаря оригинальной компоновке подшипникового узла, упростилась его конструкция, повышена его надёжность и технологичность. Расположение корпуса подшипника под лапой не имеет ограничений по диаметру, поэтому может быть применен радиально-упорный автомобильный подшипник, проверенный годами эксплуатации.

Разработанная авторами сеялка-культиватор позволяет реализовать все операции, связанные с обработкой почвы и посевом зерновых культур. За один проход сеялка высевает основную культуру, мелкосемянную культуру (бинарный компонент) и вносит минеральные удобрения, а также может быть использована при вводе в оборот бросовых и залежных земель.

Апробация физического прототипа сеялки-культиватора, агрегатированной с трактором МТЗ-80, выполнена осенью 2022 года на экспериментальных полях площадью 50 гектаров ПК «Еруслан» Шолоховского района Ростовской области при посеве озимой пшеницы. Средняя урожайность при использовании сеялки, разработанной авторами, составила более 68 центнеров с гектара, что на 28,5% больше по сравнению с использованием традиционной технологии подготовки почвы и посева.

Заключение

В настоящее время внедрение технологий сберегающего земледелия в крупных агрохолдингах и малых хозяйствах позволяет повысить рентабельность агробизнеса за счёт снижения затрат на производство, рационального использования ресурсов, самовосстановления почв. Многие российские земледельцы уже переосмыслили свои подходы к обработке почв, активно осваивают No-till и другие технологии, суть которых заключается в бережном возделывании почвы, грамотном использовании покровных культур и правильном составлении севооборотов.

Полученные авторами проектные решения по сеялке-культиватору упростили конструкцию сеялки, снизили ее металлоёмкость, а, значит, и массу, что позволяет применять тракторы меньшего класса с меньшим расходом топлива. Также упростилась настройка угла атаки дисков, а дополнительная установка разрыхлителей снизила засоряемость сеялки пожнивными остатками и комками почвы.

Дополнительная информация

Вклад авторов. М.А. Ерусланова ― проработка вопросов, связанных с разработкой отдельных узлов проектируемой сеялки, описание их работы; К.В. Немтинов ― составление плана статьи, создание электронной модели разработанной конструкции сеялки-культиватора, работа над текстом (сведение частей рукописи); К.А. Ерусланов ― генерация вариантов проектного решения сеялки-культиватора, руководство работами по созданию физического прототипа, работа над текстом совместно с соавторами; В.А. Немтинов ― общее руководство, распределение ролей в авторском коллективе, а также решение методологических и практических вопросов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Additional information

Authors’ contribution. M.A. Eruslanova ― elaboration of issues related to the development of individual components of the projected seeder, description of their work; K.V. Nemtinov ― drawing up an article plan, creating an electronic model of the developed design of the seeder cultivator, working on the text (combining parts of the manuscript); K.A. Eruslanov ― generation of design options for the seeder cultivator, management of work on creation of a physical prototype, work on the text together with coauthors; V.A. Nemtinov ― general guidance, distribution of roles in the author’s team, as well as solving methodological and practical issues. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Maria A. Eruslanova

Yeruslan

Email: marieruslan@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-1312-2002

Director

Russian Federation, Gromkovsky

Kirill V. Nemtinov

Tambov State Technical University

Email: kir155@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7830-300X
SPIN-code: 8290-9077

Cand. Sci. (Engineering), Senior Researcher at the Prototyping Center

Russian Federation, Tambov

Konstantin A. Eruslanov

Yeruslan

Email: eruslan10@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0009-6701-7003

Engineer

Russian Federation, Gromkovsky

Vladimir A. Nemtinov

Tambov State Technical University

Author for correspondence.
Email: nemtinov.va@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2917-3610
SPIN-code: 4628-6145

Dr. Sci. (Engineering), Professor, Professor of the of Computer-Integrated Systems in Mechanical Engineering Department

Russian Federation, Tambov

References

Supplementary files