Environmental aspects of processing chernozem with high-speed tools

Full Text

Введение В настоящее время агрофизические свойства почв, в том числе черноземов, отличаются от оптимальных величин и имеют устойчивую тенденцию к ухудшению. Происходит переуплотнение, утрата зернистой структуры; уменьшается количество водопрочных агрегатов; снижается водопроницаемость [1, 4, 10, 13]. При этом подготовка почвы должна быть низкозатратной, энергосберегающей и экологически обоснованной. В этом состоит актуальность рассматриваемых проблем. Характер воздействия рабочих органов почвообрабатывающих машин на обрабатываемую почву можно условно разделить на две категории - щадящего и активного действия. Обеспечение современного сельского хозяйства энергонасыщенными тракторами привело к тому, что, например, на предпосевной подготовке почвы, в погоне за высокой производительностью, желанием совместить ряд последовательных операций, достичь экономии горючего, снижения зарплаты и других прямых затрат, все большее распространение стали получать орудия т.н. агрессивного действия, к которым можно отнести фрезерные орудия, как наиболее подходящие для совмещения операций в комбинированных орудиях и высокоскоростные орудия, например, дисковые орудия с индивидуальной подвеской дисковых секций. Цель исследований Рассмотреть положительные и отрицательные свойства современных орудий для минимальных технологий и наметить пути минимизации выявленных недостатков. Критерием активности можно выбрать линейную или угловую скорость воздействия, например, при скорости до 5 м/с отнести к щадящей, а более этой скорости - к агрессивной. Из пассивных орудий такую скорость крошения мы имеем при работе дискаторов, которые уверенно используются на поступательных скоростях до 5,5-7,0 м/с при глубине обработки до 12-14 см с тракторами тяговых классов до 8 тонн. Материалы и методы исследований Высокое качество крошения почвы приводными орудиями сопровождается значительными энергетическими затратами, распылением почвы и невысокой производительностью процесса. Это зависит как от состояния почвы на момент обработки, так и от соотношения окружной и поступательной скоростей, влияющего на подачу фрезерования и степень крошения почвы. Согласно П.У. Бахтина [2], 90-100 % содержания комков размером не более 50 мм и менее 5 % пыли (частицы менее 0,25 мм) соответствует высшему качеству обработки почвы, 70-90 % комков и 5-10 % пыли - хорошему качеству, 50-70 % комков и 10-15 % пыли - удовлетворительному. Работа приводных почвообрабатывающих орудий в общем случае характеризуется эффективным разрушением почвенного пласта при окружных скоростях 3…10 м/с и поступательных скоростях от 2…5 м/с [3]. Дальнейшее повышение поступательных скоростей приводит к увеличению подачи фрезерования и резкому повышению энергоемкости процесса: , (1) где Np - мощность на резание почвы, л.с.; Nотб - мощность на отбрасывание, л.с.; а - глубина обработки почвы, м; В - ширина захвата орудия, м; V - поступательная скорость агрегата, м/с; Кр и Котб - коэффициенты удельного сопротивления, соответственно, резанию (кПа) и отбрасыванию (Н с2/м4) почвы; ηП - КПД передачи ротора. Для снижения требуемой мощности на фрезерование в конструкцию фрезы перед барабаном иногда ставят стрельчатые лапы (рис. 1), позволяющие повысить скорость до 6…7 км/ч. При этом реактивная сила подталкивания агрегата (при попутном фрезеровании) частично используется на преодоление тягового сопротивления лап и повышение общего КПД привода агрегата [5]: , (2) где Nпод, Nпер, NТ - мощности, расходуемые на отбрасывание почвы, подталкивание машины (преодоление сопротивления), перекатывание и преодоление потерь в трансмиссии машины; ηa, ηВОМ, ηП, ηМ, ηб - коэффициенты полезного действия, соответственно, фрезерного агрегата, с учетом привода к ВОМ трактора, передачи машины, самопередвижения и буксования трактора и наличия культиваторных лап (тяговый КПД). Результаты и обсуждение Рассматривая качество обработки почвы фрезерными орудиями на глубину до 12 см с окружными скоростями Г-образных ножей и прямом фрезеровании свыше 5 м/с, следует отметить как высокую степень крошения пласта, ограниченную агротехническими требованиями из-за возможности образования эрозионно-опасных фракций размером менее 1 мм, так и возрастающую при этом плотность дна борозды, обусловленную несоблюдением т.н. кинематического параметра . При этом безусловно, необходимо учитывать такие конструктивные параметры, как угол установки ножа и ширину его крыла. В некоторой степени все эти элементы могут регулироваться подбором соотношения окружных и поступательных скоростей, т.е. путем использования многоскоростных редукторов, как это делается на зарубежных фрезах. В результате, при нарушении установленного λ, затылочная часть крыла ножа трется о необработанную стенку и сминает ее, таким же образом уплотняется и дно борозды. Чтобы избежать этого, иногда устанавливают ножи с минимальными значениями угла установки, т.е. менее 25°, но это приводит к плохому сходу почвенной стружки с ножа и возможности вовлечения ее во вращение вместе с барабаном, приводящее к возрастанию энергоемкости процесса и возможному забиванию или залипанию фрез барабана. Производство высокомоментных и многоскоростных редукторов для почвообрабатывающих машин, таких как фрезерные культиваторы, ротационные плуги, пропашные и садовые фрезы в нашей стране, так и не налажено, а покупать зарубежные редукторы достаточно дорого, да и конструкции самих машин, для которых эти редукторы были созданы, значительно разнятся с отечественными разработками, и поэтому встроить их в отечественные конструкции достаточно сложно. В результате массового производства фрез для предпосевной обработки, кроме культиватора-глубокорыхлителя КФГ-3,6 и комбинированной машины АКР-3,6, в России толком налажено не было. Вместо организации производства фрезерных машин, в России в последние двадцать лет наблюдается скачок создания и использования новых дисковых почвообрабатывающих орудий, т.н. «дискаторов», отличающихся индивидуальным креплением рабочих органов к раме. В настоящее время только 2 предприятия - ОАО «Белагромаш-сервис» имени В.М. Рязанова» и компания ООО «БДМ-Агро» - производят по 32 наименований каждой из таких машин захватом от 2,1 до 10,1 к тракторам классов 4-8. Этому буму способствовали два обстоятельства: широкое внедрение почвозащитных технологий, когда для минимизации основной обработки почвы отвальная вспашка заменяется безотвальным рыхлением, поверхностной или мелкой обработкой, а то и вообще полным отказом от обработки, и появление ряда технических решений, позволяющих увеличить скорость дискования до 3,3...4,2 м/с. В первую очередь это относится к схеме размещения и способам соединения рабочих органов с рамой посредством крепления индивидуальных пружинных стоек или поводков с эластичными вкладышами, позволяющими регулировать положение каждого диска относительно поверхности поля, тем самым обеспечивая повышенную пропускную способность для почвы и сорняков в междисковом пространстве, а также способствуя улучшению степени измельчения и перемешивания пожнивных остатков с почвой. Крепление позволяет эксплуатировать борону в условиях засоренности участков небольшими каменистыми включениями и облегчает ремонт орудия в случае поломки. Новые дисковые орудия, как правило, существенно дороже по сравнению с боронами батарейной конструкции, и поэтому среди конструкций зарубежных дисковых борон пока чаще встречаются бороны этого типа. Тем не менее, создатели дискаторов, делая в рекламе упор на экономические показатели, такие как высокая производительность, экономия до 50 % погектарного расхода горючего, меньшее число следов тракторных колес и т.п., совсем не замечают такие агротехнические аспекты, как отрицательные результаты долгосрочного применения дисковых орудий на мелкой обработке, приводящие к переуплотнению подпочвенного горизонта, потере эффективной влаги, глыбистости почвенных фракций, распыляющего воздействия на поверхностные слои, увеличения засоренности посевов, снижения плодородия, особенно на черноземах, и постепенное снижение урожайности культурных растений [6, 9, 11, 12]. Одним из основных агротехнических требований дискования является способность орудия заглубляться и удерживать во время работы заданную глубину обработки. Особенно это относится к работе в жестких почвенных условиях, например, на черноземах центральной части Краснодарского края. Дисковые орудия, построенные по классической схеме, т.е. с батарейными секциями, выполняют эти требования достаточно точно. Для дискаторов выполнение таких требований проблематично. По мнению некоторых исследователей, причиной тому служит низкая вертикальная нагрузка на диск [7, 8]. Это обстоятельство объясняется результатом слепого копирования отечественными производителями зарубежных конструкций, созданных без учета разнообразия почвенных условий России. В результате производители путем утяжеления конструкций и введения все более жестких упругих стоек доводят удельное давление на диск от 70 до 130 кг, что приводит к постепенному переуплотнению подпочвенного горизонта (табл. 1). На рис. 2 представлена сверхмощная дисковая борона Admiral-850 итальянской фирмы Maschio, рекламированная на последней выставке «Золотая осень» как универсальное орудие для всех случаев измельчения и перемешивания с почвой пожнивных остатков, сорняков и др. перед посевом пожнивных культур. Рис. 2. Сверхмощная дисковая борона Admiral-850 фирмы Maschio Анализ представленной характеристики показывает, что гарантированное качество обработки орудие может обеспечить только при 10-тонной массе, обеспечивающей нагрузку на диск около 150 кг. Гипотеза о постепенном переуплотнении черноземов дисками не далека от истины, но основная причина, по нашему мнению, кроется в том, что эксплуатация этих орудий в силу особенностей технологического процесса не может не приводить к интенсивному уплотнению подпочвенного горизонта. Индивидуальное крепление дисков, дающее возможность свободно, а иногда и принудительно перемещаться им в вертикальной плоскости, только усугубляет это уплотнение, так как процессу придается динамический характер. Отсюда - интенсивное крошение и излишнее образование эрозионно-опасных частиц в верхнем горизонте, особенно при обработке сухих почв [6]. Анализируя выводы различных исследователей [6] относительно вертикальной составляющей тягового сопротивления дискового орудия Pz и факторов, влияющих на величину этой составляющей, можно остановиться на результатах, полученных С.А. Сидоровым [7] при выборе материалов и методов упрочнения дисков для почвообрабатывающих машин: (3) где S - площадь поперечного сечения погруженной в почву части диска, см2; δ - угол между направлением силы сопротивления и горизонтом, град; ϕ угол трения металла по почве, град; α угол установки диска (угол атаки) в горизонтальной плоскости, град; Ko - удельное сопротивление почвы, кг/см2; γоб - объемный вес почвы (плотность), кг/см3; Kсгр - коэффициент, учитывающий увеличение давления за счет сгружи вания почвы при увеличении скорости обработки; ν - скорость движения, м/с; β - угол крошения, град; g - ускорение свободного падения, м/с2. В работах ряда авторов [7, 8] приведены все выводы параметров, включенных в формулу (1), поэтому повторять их в данной статье не имеет смысла. Представленные на рис. 2 зависимости G = ϕ(a, v, T) показывают, что с увеличением поступательной скорости дискатора вес орудия должен нарастать с увеличивающейся интенсивностью. Использование дискаторов на повышенных скоростях (от 4,2 м/с и более) обеспечивает рыхление почвы с посредственной выравненностью дна борозды, но при этом с высокой надежностью выполнения технологического процесса и хорошей заделкой поверхностной растительности. Также появляется возможность их применения на слабо каменистых почвах без поломок рабочих органов (дисков). Указанные свойства являются следствием индивидуальной подвески дисков на пружинных (или эластичных) подвесках, вызывающих ударное воздействие на комки при встрече с неровностями или небольшими препятствиями. То же самое происходит при работе на уплотненных участках, например, по следам трактора или комбайна, колесного хода сцепки широкозахватных агрегатов и т.п., когда отдельные диски выглубляются до нулевых, а то и выше, отметок, преодолевая усилие пружин или эластичных амортизаторов и оставляя после себя неравномерную по глубине и качеству крошения обработку, а также участки с неподрезанными сорняками. При работе на влажных почвах происходит постепенное уплотнение нижнего горизонта борозды на глубину ниже установленной глубины обработки (20..30 см), а на сухих почвах - образование на поверхности пылеватых частиц. По этим причинам нельзя рассматривать дискаторы в качестве универсальных орудий общего применения, так же как и сами минимальные почвозащитные технологии обработки почвы с их применением - для повсеместного использования. Данные о влиянии приемов основной обработки почвы (чернозема обыкновенного и выщелоченного) под различные культуры (сахарная свекла, озимая пшеница, рожь, ячмень, подсолнечник и др.) и, особенно, приемов ее минимизации на агрофизические свойства почв весьма противоречивы, что обусловило необходимость проведения более детальных дальнейших исследований в условиях ЦЧР [13, 14, 15]. Однако во всех случаях различные приемы основной обработки почвы существенно влияли на изменение агрофизических показателей чернозема. В том числе тогда, когда отвальная обработка снижала плотность почвы по сравнению с другими приемами основной обработки на 4-6 %, длительное проведение дискования в системе минимальной обработки под все культуры севооборота приводило к переуплотнению почвы, особенно в горизонте 20...40 см. Длительное использование дискаторов на подготовке почвы под зерновые культуры приводило к повышению не только твердости дна борозды, но и общей плотности обрабатываемой почвы. При этом тенденция повышения твердости почвы отмечалась как при использовании в течение трех лет разноглубинной безотвальной обработки, так и при проведении дискования, совмещенного с посевом, предпосевной минимальной или мелкой мульчирующей обработки по сравнению с отвальной разноглубинной обработкой почвы в севообороте. На деградированных черноземах без применения периодической глубокой отвальной или безотвальной обработки почвы в севообороте почва сильно уплотнялась, наблюдалось наличие плужной подошвы, существенно возрастала глыбистая фракция в структурно-агрегатном составе. Таким образом, для оптимизации агрофизических показателей плодородия на средне- и сильно выпаханных черноземных почвах рекомендуется отвальная, безотвальная, комбинированная разноглубинная обработка почвы с максимальным использованием в севообороте приемов биологизации (сидеральные пары, пожнивная сидерация, многолетние травы, оставление нетоварной части урожая, внесение навоза, дефеката) в комплексе с внесением рекомендованных доз минеральных удобрений. Дискование в этих условиях проводить не рекомендуется. Известно, что уплотнение почвы сферическими дисками диаметром 510…650 мм, применяемыми в конструкциях дискаторов, является результатом действия реактивных сил Rz, выталкивающих орудие из почвы и компенсируемых весом орудия. Эти силы зависят от глубины обработки, плотности и твердости почвы, способа установки дисков, их формы и толщины, остроты лезвия, скорости работы агрегата. Выводы Успешное внедрение приемов минимализации основной обработки почвы, включающее использование дисковых орудий, возможно при соблюдении следующих условий: - применение их на почвах, устойчивых к уплотнению; - подбор сельскохозяйственных культур, обеспечивающих урожайность при минимальных обработках не ниже, чем при традиционных технологиях (это, прежде всего, озимые и яровые зерновые культуры); - использование полей, сравнительно чистых от сорняков; - при переходе к мульчирующим и нулевым обработкам необходимо периодически проводить глубокое рыхление почвы [14]. Рассматривая вопрос агрессивности работы индивидуальных дисков на повышенных скоростях, с одной стороны, следует учитывать, что для обеспечения постоянства глубины обработки на участках повышенной твердости, например, в колее после прохода колес трактора или сцепки, необходимо увеличение вертикального давления диска, т.е. использования более тяжелых орудий. С другой стороны, при изменении угла атаки дисков, вида заточки лезвия, толщины диска, агрофизических свойств почвы, особенно влажности и наличия песка, требований к размеру образующихся почвенных фракций необходимо обращать внимание на экологическую составляющую в виде увеличения эрозионно-опасных фракций, чему повышенное удельное давление на диск способствует в большей мере. Во избежание этого недостатка можно применить внутреннюю заточку гладких дисков, увеличить число дисков и оптимизировать требуемую ширину захвата орудия. Рис. 1. Комбинированная фреза RDP-30 фирмы RAW (Германия) Таблица ١ Нагрузочные характеристики дискаторов ОАО «Белагромаш» Модель дискатора Захват, м Число дисков, шт. Масса, кг Удельное давление на диск, кг Модель дискатора Захват, м Число дисков, шт. Масса, кг Удельное давление на диск, кг Бороны дисковые навесные БДМ 2,4х2н 2,4 18 970 69,3 БДМ 3,2х2н 3,2 24 1300 54,2 Бороны дисковые прицепные БДМ 2,4х4пм 2,4 24 2150 89,6 БДМ 3,2х4пм 3,2 32 2350 73,4 БДМ 4х4пм 4,0 40 3462 86,5 БДМ 5х4пм 5,0 48 4348 90,6 БДМ 6х4пм 6,0 56 4764 85,1 Бороны дисковые прицепные модульные БДМ 3,2х4/0,9 3,2 32 3045 95,2 БДМ 4х4п/0,9 4,0 40 3645 91,1 БДМ 5х4/0,9 5,0 48 4500 93,8 Борона дисковая модульная полуприцепная БДМ 6х4/0,9 6,0 60 7450 124,2 БДМ 7х4/0,9 7,2 72 8400 116,7 БДМ 8х4/0,9 9,0 92 11950 129,9 БДМ 9х4/0,9 9,0 92 11950 129,9 Борона дисковая режущая БДР8х4 8,1 82 7250 88,4 БДР10х4 10,1 98 9550 97,4 Борона дисковая составная прицепная БДС-10х2п 10,0 80 8650 108,1 БДС-6х2п 6,0 48 5500 114,6 Агрегат дисковый универсальный АДУ-6Б 5,6 56 6500 110,1 Дисковый мульчировщик ДМ-3,2 32 32 3200 100,0 ДМ-5,2 5,2 52 5100 100,0 ДМ-6х2сп 6,0 50 7300 146,0 ДМ-5х2м 5,0 42 5566 132,5 ДМ-6х2м 6,0 50 6250 125,0 ДМ-7х2м 7,0 58 7170 123,6 ДМ-3х2 3,0 26 3325 127,9 ДМ9х2м 9,0 74 9320 125,9 ДМ-4х2 4,0 34 3700 108,8 Окончание табл. ١ Таблица ٢ Техническая характеристика дисковой бороны «Admiral-٨٥٠» № Наименование показателя Единицы измерения Значение 1 Рабочая ширина м 8,5 2 Рабочая скорость км/ч 13…20 3 Глубина обработки см 0…15 4 Диаметр диска мм 610 5 Расстояние между дисками мм 508 6 Угол атаки град 22° 7 Масса (без бороны) кг 9979 8 Число дисков шт. 68 9 Удельная нагрузка на один диск кг/диск 146,75 10 Потребляемая мощность л.с. 330…450 Рис. 3. Зависимость требуемой массы фронтальной дисковой бороны G от угла установки дисков α, рабочей скорости V и твердости почвы Т

About the authors

V. N Zvolinsky

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: vic.nik.ru@yandex.ru
Moscow, Russia

References

Supplementary files