Principles of development of the technological process of tillage in arid conditions of the south of Russia

Full Text

Введение В.В. Докучаев, П.А. Костычев, А.А. Измаильский, Н.М. Тулайков в своих работах отмечали, что в засушливых условиях южных регионов страны, где возделываемые сельскохозяйственные культуры испытывают недостаток влаги, а грунтовые воды залегают глубоко, важное значение приобретает обработка почвы. Механической обработкой образуется трещиноватый пористый массив почвы, внутри которого формируются преференциальные потоки влаги, направленные как вглубь пласта (при выпадении атмосферных осадков), так и к поверхности поля, приводящие к ее потере при физическом испарении. Для предотвращения физического испарения влаги из пахотного слоя, которое приводит к иссушительной деградации почвы при смыкании с атмосферной засухой, рекомендуют реже проводить глубокое рыхление и вовсе заменить его поверхностными обработками. Однако при постоянных поверхностных обработках без глубокого рыхления пласта может возникнуть так называемая (по классификации кафедры «Геохимия ландшафтов и география почв» МГУ им. М.В. Ломоносова [1]) псевдослитизация нижней части пахотного слоя, приводящая, вследствие его дегумификации, к гидролизной деградации почвы, особенно черноземной. Цель исследования Определить основные требования к агротехнически целесообразному технологическому процессу обработки почвы в засушливых условиях и к рабочим органам для его осуществления. Методы исследования В засушливых условиях возделывания сельскохозяйственных культур особое внимание следует уделять процессу термодиффузии влаги внутри пласта почвы, в основе которого заложен метод «воздушной ирригации», открытый агрономом И.Е. Овсинским еще в 19 веке. Метод основан на использовании процесса росообразования, который можно применять для накопления влаги при дифференцированной обработке слоев почвы. За счет разницы температур между горячим воздухом над почвой и прохладным внутри пласта происходит процесс росообразования. Ночью более теплый и влажный воздух из почвы конденсируется в виде влаги на поверхности. Объем такого самоувлажнения соизмерим с требуемым для роста и развития сельскохозяйственных культур. При разнице температур возникает термоградиент внутри пласта ∇t°C (°С/см) (1) где tn+1°C, tn°C - температура каждого слоя почвы, °С; zn+1, zn - глубина расположения слоя, см. При этом перемещается поток тепла, способствующий возникновению процесса термодиффузии влаги. При повышении температуры внутри пласта снижаются силы адгезии и аттракции твердой и жидкой фаз почвы, уменьшаются поверхностное натяжение влаги (при ее наличии) и гидравлический потенциал, в результате чего происходит перемещение потока в более холодном направлении за счет разницы капиллярных давлений. Процесс длится до равновесного состояния, достижению которого препятствует солнечная радиация, приводящая к нагреву почвы и являющаяся причиной десукции и испарения, вследствие чего возникают капиллярно-сорбционные силы, обеспечивающие перемещение влаги через точки соприкосновения структурных агрегатов почвы со скоростью потока, обратно пропорциональной их размерам. В засушливых условиях внутри пласта передвижение влаги практически прекращается в связи с почти полным ее отсутствием в свободном жидком состоянии. Тогда движение влаги внутри пласта осуществляется только в виде пара за счет наличия в почве постоянно меняющихся термоградиентов посредством диффузии в сторону ее понижения (меньшей упругости насыщения пара). Из физики земледелия известно, что процесс диффузии зависит от степени упругости насыщения пара и толщины водной пленки на структурных агрегатах почвы [2]. Процесс диффузии в почве может осложняться явлениями микроконвекции за счет термоградиентов, а также многократностью осаждения и новой дистилляцией пара. Изменение плотности пара обусловлено различием гидравлических потенциалов или температуры слоев почвы. Термоградиент влияет на объем теплового потока Q (Дж/см): (2) где λ - теплопроводность почвы, Дж/°С. Наиболее значимое влияние на изменение температурного режима из всех техногенных воздействий оказывает механическая обработка почвы. Из анализа формулы (1) следует, что увеличение термоградиента в почве между обрабатываемыми слоями возможно при их малой толщине и при условии существенного различия их температуры. То есть для получения существенного различия температуры слоев обработанного пласта необходимо проведение послойной обработки почвы, а именно дифференцированное рыхление с различной степенью уплотнения по слоям. Из физики земледелия известно, что скорость перемещения влаги зависит от диаметра структурных агрегатов, поскольку величиной последнего определяется сечение почвенных капилляров. Получение структурных агрегатов требуемого размера путем рыхления с уплотнением подповерхностного слоя почвы внутри пласта приводит к расширению диаметра почвенных капилляров, по которым перемещается влага из глубины к испаряющей поверхности. Термодиффузионный поток влаги, появление которого обусловлено наличием термоградиентов, не преодолевает поверхность раздела между широкой и узкой частями капилляров, происходит так называемое явление их пресечения, в результате чего образующийся пар не достигает поверхности поля, а медленно диффундирует внутри пласта и конденсируется в слое, который будет являться влагонакопительным. Исследования [3] показали, что при послойной обработке почвы внутри пласта формируется влагонакопительный слой за счет комбинации обоих типов теплообмена (инсоляции и излучения), поскольку термоградиенты имеют противоположное направление, меняя знак на глубине 10-15 см, где пересекаются потоки. Влага на данной глубине является доступной для корневой системы сельскохозяйственных культур. Известны способы послойной обработки почвы. Согласно способу обработки почвы по а.с. № 126311 [4] , внутри обрабатываемого пласта образуют уплотненную прослойку, а наружный тонкий слой сухой почвы оставляют разрыхленным, что способствует сохранению влаги от испарения в атмосферу. Аналогично способ по патенту № 294273 [5] предусматривает рыхление пласта с последующим подповерхностным созданием уплотненных зон. Под верхним слоем создают равномерно в шахматном порядке уплотненные зоны, которым придают конусообразно расширяющийся книзу вид. Способ по а.с. № 622429 [6] включает создание слоев почвы с различной плотностью при большем ее значении для среднего слоя. Наряду с вышеизложенным, установлена возможность снижения усилий на отрыв пласта, а следовательно, и тягового сопротивления рабочих органов за счет послойной обработки почвы. Авторами патента № 2158068 [7] предложен способ послойной обработки почвы при снижении энергозатрат за счет воздействия на пласт разнонаправленными деформациями и разрушения пласта по линиям наименьших связей. Послойное рыхление пласта производят по линиям наименьших связей за счет автоматического отклонения рыхлящих элементов рабочего органа в стороны наименьшего сопротивления деформациям. По а.с. № 1604186 [8] крошение пласта осуществляется по линиям наименьших связей путем автоматического отклонения крошащих элементов в стороны наименьших сопротивлений деформациям за счет придания им дополнительно трех степеней свободы: вращательного и поступательных (вертикального и горизонтального) движений. Особое внимание следует уделить разработкам ВНИПТИМЭСХ (ныне АНЦ «Донской», подразделение «СКНИИМЭСХ») по послойной обработке почвы. Еще в середине прошлого века сотрудниками нашего института был запатентован (а.с. № 125422 [9]) способ обработки почвы, согласно которому получение разных по структуре и плотности слоев пласта достигается путем рыхления с одновременным уплотнением, выравниванием и созданием мульчирующего слоя на поверхности поля. По патенту № 2147163 [10], послойное рыхление осуществляется формированием вертикальных, горизонтальных и наклонных щелей внутри пласта. При этом внутри пласта образуют кротовины на стыках пересечения наклонных щелей, а на поверхности почвы горизонтальные соединяют перемычками в поперечном направлении относительно вертикальных. Способ по патенту № 2217890 [11] включает послойную обработку почвы с формированием верхнего рыхлого, среднего уплотненного и нижнего более уплотненного слоев внутри обработанного пласта. Для осуществления способов послойной обработки почвы нами запатентованы рабочие органы [12, 13]. Теоретико-методические принципы разработки нового технологического процесса основаны на систематизации рабочих органов. На основании анализа данного процесса и примеров технических решений систему «Рабочие органы для послойной обработки почвы» можно представить в виде четырех подсистем (см. табл.): I - для поверхностного рыхления; II - для мелкой обработки; III - для глубокой обработки; IV - для уплотнения и выравнивания. При этом мелкая обработка почвы лапами II осуществляется после завершения релаксации и процесса снятия внутренних напряжений пласта [9], подрезанного дисками I. Далее по истечении релаксации пласта, обработанного лапами II, осуществляется глубокое рыхление почвы долотом с рыхлителями III, а затем уплотнение и выравнивание поверхности поля катками IV. Если комбинация произведена без учета длительности релаксации пласта или нарушена последовательность функционирования подсистем, то не обеспечивается получение требуемых агротехнических показателей в связи с распылением и сгруживанием почвы перед рабочим органом, возникновением призмы волочения и технологический процесс характеризуется повышенной энергоемкостью, особенно в засушливых условиях. Комбинация подсистем может быть реализована конструктивно на единой несущей системе почвообрабатывающего агрегата, в качестве которой выступает стойка рабочего органа или рама почвообрабатывающего агрегата. В случае совмещения, например, подсистем II и III на единой стойке рыхлитель для мелкой обработки почвы подготавливает пласт для прохода долота последующего рабочего органа. Результатом является унифицированная конструкция по методу базового агрегата с общей и сменными частями (подсистемами). По заданной скорости агрегата V (м/с) с учетом длительности релаксации осуществляется расстановка блоков подсистем рабочих органов в продольном направлении L (м): (3) где m - коэффициент вязкости почвы, Па⋅с; Е - модуль упругости почвы, Па. Для засушливых условий в результате исследований определена длительность релаксации черноземной почвы [14], которая составляет 0,09-0,11 с. Таким образом, расстояние в продольном направлении между блоками подсистем в среднем должно составлять не менее 0,2 м. Итак, послойная обработка почвы - это результат совершенствования дифференцированной по слоям безотвальной обработки почвы. Тенденции послойной обработки почвы возникают с внедрением стойки типа paraplow с наклоном вперед по ходу движения и в сторону, используемой в качестве рыхлящего элемента рабочего органа. Стойка типа paraplow, формируя наклонные щели, способствует улучшению качества рыхления всего обрабатываемого слоя почвы, особенно в слое между подсистемами II и III, где пласт крошится под влиянием распространяемых опережающих трещин от долота, не взаимодействуя непосредственно с режущими кромками рабочего органа. Таким образом, режущие кромки рабочего органа в слое между подсистемами II и III не создают поверхности раздела, и крошение происходит по пути наименьшего сопротивления почвы (по М.Х. Пигулевскому) по линиям скольжения, которые имеют криволинейную форму (по В.В. Соколовскому). Форма стойки типа paraplow [15] обычно выполняется с наклоном по ходу движения и в сторону обычно в виде прямолинейных участков ломаной линии, при неограниченном возрастании числа звеньев которой образуется кривая. Оптимизация формы кривой также обусловлена требованием снижения металлоемкости конструкции, масса которой несколько завышена в связи с размещением нескольких подсистем рабочего органа на единой стойке. Уменьшение длины кривой приводит к задаче поиска наименьшего времени перемещения (спуска) некоторой точки, расположенной на стойке типа paraplow. Скорость перемещения точки А0 в точку Аn+1 изменяется дискретно [16] с бесконечно малым шагом (рис. 1). Рис. 1. Схема к определению формы криволинейной стойки типа paraplow для послойной обработки почвы Поскольку скорость зависит от плотности слоев почвы, которые дифференцированы, время перемещения точки по кратчайшей траектории не является наименьшим. На границе раздела двух слоев наблюдается нарушение прямолинейности перемещения точки, физически заключающееся в том, что углы падения и преломления отличаются друг от друга, в результате чего траектория приобретает характер ломаной линии. Физическая интерпретация механической задачи позволяет установить преломление прямолинейной траектории перемещения точки при различии скоростей, обусловленном дифференцированием слоев почвы при послойной обработке. Известно, что коэффициент преломления определяется отношением скоростей излучения (электромагнитного, светового и др.) в средах с различием плотности слоев обрабатываемой среды. Из аналогии процессов перемещения точки внутри пласта почвы и электромагнитного излучения следует зависимости (4), (5) для определения скорости: . (4) С точки зрения физики процесса, гребень волны, двигаясь в направлении своего распространения, преодолевает расстояние A0Anx, при этом точка пересечения его с границей слоя 0-n перемещается на A0An. . (5) Аналогично получим выражение для слоя n - (n+1): (6) где Vn, Vn+1 - скорость перемещения в слое 0-n, n-(n+1), соответственно. В результате приравнивания скорости вдоль границы раздела слоев для падающей и прошедшей волн получим выражение, эквивалентное закону Снеллиуса: . (7) Согласно закону Снеллиуса, данное отношение является постоянным: . (8) Из анализа рис. 1 следует: (9) где β - угол отклонения касательной к криволинейной траектории перемещения точки от линии уровня горизонта, град. Выполнив некоторые преобразования, получим: , (10) . (11) В результате сопоставления выражений, выведенных на основании положений механики движения материальной точки, физики электромагнитного и светового излучения, получим уравнение искомой кривой, представляющее собой дифференциальное уравнение брахистохроны первого порядка: . (12) Длина дуги брахистохроны (периметр стойки) можно определить по формуле: (13) где D - диаметр производящего круга брахистохроны, представляющий проекцию длины стойки на горизонтальную поперечную плоскость, м; t - параметр, определяемый взаимосвязь с физико-механическими свойствами почвы. Результаты и их обсуждение Пример зависимости [17] параметров и режимов работы комбинированных машин (тягового сопротивления Рт, глубины рыхления а, скорости V, ширины захвата В от физико-механических свойств почвы (твердость Н) в виде взаимосвязи критериев энергетического (Рт/Н·а2), геометрического (В/а) и механического подобия (g·а/V2) подсистем «рабочие органы для послойной обработки почвы», размещенных на единой несущей системе, представлен на рис. 2. Рис. 2. Взаимосвязь критериев энергетического, геометрического и механического подобия комбинированных машин Из анализа зависимости (рис. 2) следует, что критерий подобия (Рт/Н·а2) уменьшается с увеличением (g·а/V2) при (В/а) = const, а с ростом (В/а) при (g·а/V2) = const возрастает, причем интенсивнее. Таким образом, энергетический критерий уменьшается интенсивнее и больше зависит от геометрии рабочих органов (В/а), чем от механического подобия. Внедрение инновационных конструкций рабочих органов является перспективным направлением повышения эксплуатационной надежности и энергоэффективности почвообрабатывающих машин [18, 19], предупреждает возникновение преждевременного износа их механизмов и систем [20]. Использование программного комплекса «МВТУ», разработанного на кафедре «Ядерные реакторы и ядерные энергетические установки» МГТУ им. Н.Э. Баумана, позволяет анализировать процессы в динамических системах с помощью визуальных средств структурного моделирования [21-23]. Заключение Таким образом, разработка технологического процесса обработки почвы в засушливых условиях юга России должна основываться на следующих принципах: - накопление влаги внутри пласта необходимо осуществлять за счет использования термодиффузионных процессов; - обработку почвы производить дифференцированно с различной степенью уплотнения по слоям; - процесс осуществляется унифицированной конструкцией, разработанной по методу базового агрегата с общей и сменными частями (подсистемами); - комбинация подсистем реализуется конструктивно на единой несущей системе по определенному принципу размещения с учетом длительности релаксации внутренних напряжений почвы; - для повышения эксплуатационной надежности и энергоэффективности почвообрабатывающих машин используются инновационные конструкции, основанные на взаимосвязи параметров и режимов работы с физико-механическими свойствами почвы. Таблица Система «Рабочие органы для послойной обработки почвы» № Подсистема (рабочий орган) Глубина обработки, см I Для поверхностного рыхления (диск) 8-10 см II Для мелкой обработки (лапа) до ١٦ см III Для глубокой обработки (долото с рыхлителями) свыше ٢٥ см IV Для уплотнения и выравнивания (каток) 8-10 см

About the authors

G. G Parhomenko

State Scientific Establishment «Agricultural research center «Donskoy»

Email: parkhomenko.galya@yandex.ru
PhD in Engineering

References

Supplementary files