Reduction of aftereffect of machine units on the soil

Full Text

Введение Возделывание с.-х. культур связано с многократными проходами агрегатов по полю. В результате почва уплотняется, что приводит к ухудшению основных физических и физико-химических свойств пахотного и подпахотного горизонтов, снижению урожайности возделываемых культур и увеличению затрат энергии на выполнение технологических операций. Эта проблема становится все острее в связи с массовым применением тяжелых колесных тракторов, комбайнов, грузовых автомобилей. Повышенная скорость их движения вызывает большие динамические нагрузки на почву и ее чрезмерное уплотнение на большую глубину. Особую опасность представляет кумулятивный эффект переуплотнения почвы от повторяющихся воздействий движителей машинных агрегатов. Наиболее интенсивно процесс уплотнения почвы происходит в весенний период, когда почва находится в состоянии повышенного увлажнения и легко поддается деформации, а также при движении по полю грузовиков с шинами высокого давления. При проходе колесного трактора влажная почва под колесами сдавливается, как губка. Часть влаги выдавливается на поверхность и испаряется, вторая часть вдавливается в нижние слои почвы и становится недоступной для растений из-за образования в пахотном горизонте чрезвычайно плотных слоев. Уплотненные зоны концентрируются и распространяются на расстояние 0,8-1 м в обе стороны от следов колесного трактора и на глубину до 0,6 м (см. рисунок) [1]. Современные тенденции научно-технического прогресса в сельском хозяйстве приводят к тому, что в целях повышения производительности приоритет отдается энергонасыщенным тяжелым агрегатам. Это влечет за собой увеличение уплотняющего воздействия движителей на почву. В результате разрушается ее структура, возрастает эрозионная деградация пахотного горизонта, образуется так называемая плужная подошва, ограничивается процесс накопления и отдачи влаги подпахотного горизонта. При этом нарушается микрофлора, например из пахотного слоя почвы практически исчезли дождевые черви, способствующие поддержанию структуры почвы и каналов в ней, необходимых для обеспечения режима питания корневой системы растений влагой и воздухом. Многократный проход тяжелых машин и переуплотнение пахотного и подпахотного горизонтов не только затрудняют и ограничивают развитие корневой системы растений, но и увеличивают удельное сопротивление при обработке почвы. Исследования многих авторов показывают, что за последние 40 лет удельное сопротивление почвы возросло не менее чем на 25-30%. Повторяющиеся воздействия движителей машин на поле обусловливают выраженную неравномерность плотности пахотного слоя со всеми вытекающими негативными последствиями. В итоге не только снижается потенциал урожайности полей, но и нивелируются результаты работы по повышению производительной способности агрегатов [2, 3]. Установлено, что только трактор типа ДТ-75 по уровню давления на почву удовлетворяет агротехническим требованиям, т.е. после его воздействия происходят релаксация и восстановление в течение одного полевого сезона [4]. Трактор типа Т-4 приближается к допустимому уровню уплотнения почвы, но при условии регулирования высоты прицепа орудий с учетом их тягового сопротивления для перераспределения центра давления. Также необходимо обустройство эллипсовидной формы обвода опорной поверхности гусеницы путем установки прокладок под опоры крепления средних катков толщиной 1,5 и 2 см [5]. Трактор Т-150К при установке сдвоенных колес приближается к допустимому уровню воздействия на почву, а трактор типа «Кировец» не удовлетворяет требованиям даже со сдвоенными колесами. С этих позиций не получает должной оценки уборочный процесс. Масса современных комбайнов превышает 15 т. В совокупности с агрегатами на косовице и большегрузными автомобилями или тракторными поездами, двигающимися по полю, они уплотняют значительную его часть. Эта деформация не устраняется за счет зимней релаксации почвы. Цель исследования Цель работы - определение экологического последействия трактора среднего класса тяги с различными движителями с учетом давления воздуха в шинах, а также проведение эксперимента для оценки его использования на весенне-полевых работах. Материалы и методы В исследовании использованы техническая характеристика трактора ХТЗ-150К-09, положения ГОСТ 7463-2003 «Шины пневматические для тракторов и сельскохозяйственных машин. Технические требования» и ГОСТ 20915-75 «Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытания». Результаты и их обсуждение Комплексный подход к анализу проблемы уплотнения почвы машинными агрегатами позволяет сделать вывод о многоплановости проблемы. Ее решение зависит как от почвенных и климатических условий, зональных технологий возделывания и уборки с.-х. культур, так и от применяемой системы машин. На уровне предприятия проблема решается выбором наиболее приемлемых технологий с учетом конкретных условий производства, использованием элементов и системы на основе минимальной и нулевой обработки почвы, целенаправленным формированием комплекса машин с энергосберегающими рабочими органами, рациональным распределением работ между тракторами с целью снижения негативного воздействия на почву. Положительное влияние могут оказать рациональные правила производства работ, в т.ч. уменьшение проходов транспортных средств и других обслуживающих агрегатов по полю. Особое внимание следует уделить комплексу мероприятий по снижению уплотняющего воздействия на почву, таких как регулирование давления воздуха в шинах, использование сдвоенных колес и шин низкого давления, выравнивание эпюры давления за счет перераспределения центра масс в процессе работы агрегата и др. При формировании машинно-тракторного парка (МТП) предприятий основой служит выбор типа трактора общего назначения. Наряду с производительностью и другими эксплуатационными показателями необходимо учитывать уплотняющее воздействие на почву, показатель которого - среднее давление трактора на почву (табл. 1) [6, 7]. Таблица 1 Среднее давление движителей тракторов на почву Марка трактора Размер колес Масса трактора, т Контурная площадь, м2 Давление на почву, кПа К-700 23,1R26 12 1,61 75 К-700А 28,1R26 12,81 1,82 71 К-701 28,1R26 13,5 1,82 74 К-744Р1 28,1R26 14,9 1.82 82 К-744Р2 30,5R32 15,7 2,1 75 К-744Р3(4) 30,5R32 20 2,1 95,1 К-744Р3(8) 30,5R32 22 4,2 52 Т-4А-01Т Гусеничный движитель 8,87 1,77 50 ВТ-150 Гусеничный движитель 7,72 1,84 42 ХТЗ-181 Гусеничный движитель 9,05 2,01 45 Т-150 Гусеничный движитель 6,97 1,52 46 ХТЗ-150К-09 21,3R24(4) 7,98 1,29 62 ХТЗ-150К-09 21,3R24(8) 8,98 1,95 46 ХТЗ-17221 23,1R26 8,91 1,61 56 ХТЗ-150К-09 23,1R26 8,08 1,61 50 Приведенные данные свидетельствуют о том, что наименьшее отрицательное воздействие на почву обеспечивается при использовании гусеничных тракторов. Многолетний опыт ТОО «Алтынсарино» и КХ «Шулер Э.Ф.» Костанайской обл. Республики Казахстан свидетельствует о том, что использование гусеничных тракторов по сравнению с тракторами «Кировец» позволяет увеличить урожайность примерно на 1/3. Постепенный переход на тяжелые пахотные тракторы обусловлен необходимостью существенного повышения производительности машин из-за нехватки механизаторов и отсутствия на рынке гусеничных тракторов должного качества. Определенное преимущество колесных тракторов заключается в их универсальности, т.е. в способности выполнять не только полевые, но и транспортные работы. Однако все возрастающая масса и мощность колесных тракторов практически исключают их использование на транспортных работах, что свидетельствует о необходимости применения тяжелых гусеничных тракторов типа «Руслан» и Challenger. Их использование в сочетании с колесными тракторами среднего класса позволяет существенно улучшить структуру МТП. Однако только уменьшением давления движителей тракторов проблему уплотнения почвы не решить. При проведении весенне-полевых работ на возделывании зерновых культур (закрытие влаги, предпосевная культивация, посев, боронование или прикатывание посевов) движителями колесных тракторов уплотняется 50-60% площади поля, а на возделывании пропашных культур - более 90%, причем до 30-40% площади поля уплотняется двукратно, до 10-20% - трехкратно. Потери продукции на переуплотненных тяжелых суглинистых почвах достигают 20% при возделывании зерновых культур и 40% при возделывании пропашных культур. Уменьшение уплотненной площади поля примерно вдвое можно обеспечить сокращением количества проходов агрегатов по полю в весенний период, например при нулевой технологии обработки почвы или использовании комбинированных орудий, позволяющих за один проход агрегата выполнить несколько технологических операций. Передовой опыт хозяйств Австралии свидетельствует о том, что снизить площадь уплотнения почвы в весенний период можно путем введения постоянной технологической колеи. По каждому полю с использованием GPS прокладывается маршрут движения машинно-тракторных агрегатов в виде постоянной технологической колеи, и тракторам запрещается передвигаться по полю вне ее. Основное требование при введении такой колеи - кратность ширины захвата машин, применяемых в процессе возделывания с.-х. культур. Поэтому переход на эту технологию требует переоснащения МТП хозяйств. Как правило, технологию возделывания с.-х. культур с постоянной технологической колеей в Австралии применяют в хозяйствах с высокой культурой земледелия. С введением технологической колеи уплотненная площадь составляет не более 15-20% площади поля, а прибавка урожая при применении колесных тракторов высокого тягового класса может достигать 25-35% по сравнению с текущим уровнем урожайности. Помимо крупных предприятий в производстве с.-х. продукции участвуют фермерские хозяйства, которые ограничены в финансовой возможности приобретения дорогостоящей техники. Основным энергосредством для фермерских хозяйств с площадью пашни до 1000 га служит трактор общего назначения класса 3. Использование такого трактора с набором машин для минимальной технологии возделывания с.-х. культур позволяет выполнить весь комплекс полевых работ и стабилизировать производство зерна. Для этих целей могут подойти трактор типа ХТЗ-150К-09 в сочетании с трактором МТЗ-82 для выполнения вспомогательных операций. Установлено, что допустимое значение давления на почву колесных тракторов составляет 50 кПа. При этом величина давления движителей на почву зависит не только от массы трактора, но и от давления воздуха в шинах. В связи с этим проведена сравнительная оценка вариантов колес к трактору среднего класса тяги. С целью оценки давления на почву на примере трактора ХТЗ-150К-09 с колесами 21,3R24 и 23,1R26 выполнен расчет среднего давления движителей на почву при различном давлении воздуха в шинах (табл. 2). Таблица 2 Расчетные давления на почву трактора ХТЗ-150К-09 Размер колес Давление воздуха в шинах, кПа Ширина, мм Диаметр, м Масса, кг Площадь пятна контакта, м2 Давление колес на почву, кПа 21,3R24(4) 160 540 1400 7980 0,382 65,4 21,3R24(8) 1080 1400 8980 0,557 48 23,1R26 587 1605 8100 0,43 58,8 21,3R24(4) 140 540 1400 7980 0,394 63,4 21,3R24(8) 1080 1400 8980 0,595 46,2 23,1R26 587 1605 8100 0,44 56,9 21,3R24(4) 120 540 1400 7980 0,41 61 21,3R24(8) 1080 1400 8980 0,619 44,4 23,1R26 585 1605 8100 0,462 54,7 21,3R24(4) 100 540 1400 7980 0,432 57,81 21,3R24(8) 1080 1400 8980 0,652 42 23,1R26 587 1605 8100 0,487 51,9 23,1R26 80 587 1605 8100 0,522 48,4 Полученные данные о влиянии внутреннего давления воздуха в шинах и типа колес на изменение давления на почву показывают, что применение сдвоенных колес 21,3R24 при различном давлении воздуха в шинах обеспечивает экологическую совместимость при выполнении полевых работ. Перспективно применение шин низкого давления 23,1R26, которые также обеспечивают допустимое воздействие на почву при давлении воздуха в шинах 80-100 кПа. Для оценки влияния типоразмера шин трактора ХТЗ-150К-09 c колесами 21,3R24 и 23,1R26 на уплотняющее воздействие на почву проведены производственные опыты по определению плотности и твердости почвы на стерневом фоне на базе Костанайского филиала Казахского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства (табл. 3, 4). Таблица 3 Плотность почвы по следу тракторов, г/см3 Марка трактора Размер колес Влажность почвы, % 23,9 23 22,1 21,7 Слой почвы, см 0-5 5-10 10-15 15-20 К-744Р3 ХТЗ-159К-09(4) ХТЗ-159К-09(4) ХТЗ-159К-09(8) Вне колеи 30,5R32 21,3R24 23,1R26 21,3R24 1,26 1,14 1,07 1 0,85 1,35 1,27 1,21 1,18 1,11 1,37 1,29 1,25 1,2 1,14 1,4 1,31 1,28 1,23 1,23 Таблица 4 Твердость почвы по следу тракторов, МПа Марка трактора Размер колес Влажность почвы, % 23,9 23 22,1 21,7 Слой почвы, см 0-5 5-10 10-15 15-20 К-744 Р3 ХТЗ-159К-09(4) ХТЗ-159К-09(4) ХТЗ-159К-09(8) Вне колеи 30,5R32 21,3R24 23,1R26 21,3R24 3 2,6 2,46 2,4 0,67 3,5 3,1 2,93 2,84 1,32 4 3,5 3,25 3,1 1,64 4,3 3,7 3,43 3,3 1,71 Из представленных опытных данных, полученных в результате определения агрофизических показателей почвы стерневого фона, видно, что при использовании трактора ХТЗ-150К-09 на шинах низкого давления 23,1R26 с давлением воздуха в шинах 80 кПа снижается плотность и твердость по слоям почвы в сравнении с одинарными колесами 21,3R24, что позволяет задействовать такой трактор в комплексе весенних полевых работ. Вывод Из рассмотренных типов колес, применяемых на тракторе ХТЗ-150К-09, наиболее рациональный вариант - колеса с шинами низкого давления 23,1R26. Следует отметить, что применение спаренных колес сопровождается дополнительной площадью уплотнения от следа колес, что приводит к определенным потерям урожая. Изложенное выше предопределяет эффективность использования одинарных шин низкого давления, обеспечивающих выполнение полевых работ с допустимым воздействием на почву. Это необходимо учитывать при создании колесных тракторов среднего класса отечественного производства.

About the authors

G. A Okunev

South Ural State Agrarian University

DSc in Engineering Chelyabinsk, Russia

V. L Astaf'ev

Kazakh Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification, Kostanay branch

Email: celinnii@rambler.ru
DSc in Engineering Kostanay, Republic of Kazakhstan

N. A Kuznetsov

South Ural State Agrarian University

Email: kuznetcof@mail.ru
PhD in Engineering Chelyabinsk, Russia

References

Supplementary files