Implementation of nature-like technologies in the development of new working bodies for tillage in arid conditions

Full Text

Введение Современная парадигма природопользования (Sustainable Agriculture) предусматривает удовлетворение жизненных потребностей человека без вреда для будущих поколений. Нерациональные способы обработки почвы приводят к ее деградации и потере плодородия. Первое условие плодородия - рыхлость почвы. Без рыхления возникает псевдослитизация пахотного слоя, приводящая к дегумификации и гидролизной деградации почвы. Постоянная обработка отвальным плугом и дисками борон приводит к иссушительной деградации почвы в засушливых условиях. Цель исследований Совершенствование конструкций рабочих органов для обработки почвы с учетом зонально-природных условий их применения. Материалы и методы В настоящее время актуальным является использование в научных исследованиях природоподобных технологий. Методология природоподобных технологий основана на приближении к природоподобным аттракторам на основе ценологического подхода, подобно биоценозам в природе [1]. Например, в засушливых условиях коренные зонально-природные аттрактивные экогеоландшафты адаптированы к минимуму влаги, на ее накопление и рациональное использование. То же самое необходимо осуществлять в агроэколандшафтах. В засушливых условиях необходимо накопление влаги внутри пласта почвы, подобно тому, как это осуществляется в природе. Проявлением структурной гармонии и порядка в природе является так называемое золотое сечение, использование принципа которого в широком смысле позволит осуществлять природоподобное управление в техносфере. Так, при разработке конструкции рабочих органов необходимо не только основываться на физике процесса взаимодействия с обрабатываемой средой, но и использовать существующие в природе аналогии формы и оптимальные пропорции (сечения). Например, при обосновании параметров рабочего органа необходимо использовать угол естественного сдвига пласта почвы, а форму выбирать на основании конфигурации естественных линий скольжения почвы и траекторий ее наименьшего сопротивления деформациям и крошению. В основе природоподобных технологий при обработке почвы заложены принципы минимума, оптимума и максимума [2]. При структурной гармонизации системы, при реализации природоподобных технологий, важно различать, что должно быть преобразовано (вариации), а что должно оставаться неизменным (инварианты) [3]. В соответствии с этим технологический процесс обработки почвы необходимо осуществлять унифицированной конструкцией, разработанной по методу базового агрегата со сменными подсистемами (элементами рабочих органов), комбинацию которых реализуют конструктивно на единой несущей системе по определенному принципу размещения [4]. Результаты и обсуждение В засушливых условиях необходима дифференциации пласта без оборота на слои с различной структурой, т.е. послойная безотвальная обработка почвы. При этом, во-первых, нарушается преференциальное движение влаги, приводящее к испарению. Во-вторых, по аналогии с процессом конденсации росы на поверхности почвы, при разнице теплофизических характеристик слоев возникает термодиффузионный поток в виде пара внутри пласта, движущийся в направлении температурного градиента. Температура внутри пласта почвы изменяется вследствие протекания следующих процессов: - теплообмен с воздухом (теплопроводность и конвекция); - воздействие лучистой энергии солнца (радиация); - тепловой поток в почве (теплопроводность); - физико-химические процессы (испарение, конденсация, десукция). Изменение температуры почвы во времени (тепловой поток) внутри пласта определяется интенсивностью тепловой энергии и температуропроводностью. На диссипацию тепловой энергии почвы и снижение температуры внутри пласта оказывают непосредственное влияние влажность и плотность. При высокой влажности почвы происходят необратимые потери тепловой энергии, расходуемой на испарение влаги с поверхности. Величина температурного градиента, возникающего внутри пласта при этом только за счет сорбционных и капиллярных сил, непосредственно зависит от влажности почвы. Сорбционные силы возникают за счет поверхностной энергии твердой фазы почвы, поэтому от структуры пласта и его плотности сложения зависит величина и направление возникающего при этом температурного градиента. Температуропроводность обратно пропорциональна плотности почвы. С увеличением плотности почвы температуропроводность уменьшается и, как следствие, снижается величина температурного градиента внутри пласта. Капиллярные силы возникают только при наличии влаги в почве. В засушливых условиях влага сосредоточена в наиболее тонких капиллярах, а ее перемещение осуществляется преимущественно в парообразной форме. При значительном увеличении плотности почвы, обусловленном переуплотнением пласта, в засушливых условиях нарушается водное питание корневой системы растения, поскольку размер пор уменьшается, и корневые волоски не способны проникнуть в наиболее тонкие капилляры с влагой. По данным А.А. Роде, увеличение плотности почвы до 1,59 г/см3 приводит к уменьшению водопроницаемости до 10 раз. Поэтому при переуплотнении пласта доступ влаги к растению за счет гидротропизма его корневой системы, обусловленного водопроницаемостью почвы и проводимостью протоплазмы клеток корня, весьма затруднителен. А в засушливых условиях при достижении предела влажности разрыва капилляров гидротропизм корневой системы растения прекращается вследствие уменьшения водопроницаемости и увеличения сорбционных сил, на величину которых оказывает непосредственное влияние плотность почвы. Количественно неустановившийся термодиффузионный поток можно представить следующей зависимостью: (1) где t°C - температура почвы, °С; t - время, с; - температуропроводность почвы, Дж/°С. Представим выражение (1) в разностном виде: (2) где i - приращение слоя; j - приращение времени; ∆z - расстояние между слоями, м; ∆t - промежуток времени, с. Автором [5] определено, что в первом приближении: (3) Подставим выражение (3) в уравнение (2): (4) Полученное выражение (4) позволяет рассчитать температуру почвы на любой глубине залегания слоя в различное календарное время в условиях неустановившегося термодиффузионного потока по имеющимся данным предыдущих измерений. Эти данные могут использоваться при дифференцированном подходе к рыхлению и посеву в зависимости от теплофизических характеристик почвы. В этом случае принимается решение о проведении технологической операции по результатам исследований, полученным по температуре почвы в определенном слое на необходимой глубине [6]. Для достоверности полученных данных, рассчитанных по формуле (4), необходимо определить начальные и граничные условия непосредственным измерением в поле или аппроксимацией ранее полученных данных. Установлено, что измерение температуры для определения начальных и граничных условий необходимо проводить непосредственно в поле, поскольку в лабораторных условиях нарушается естественная структура образца. Поскольку структура почвы содержит поры, трещины и неоднородности, обладающие значительно меньшей теплопроводностью, чем твердая фаза, то всякое нарушение образца при извлекании его из пласта существенно влияет на результаты измерений, поскольку в лабораторных условиях не обеспечивается сохранение исходного направления термодиффузионного потока, характерного для естественной среды. В выражении (3) расстояние между слоями ∆z характеризует толщину всего взрыхленного слоя, от поверхности поля до глубины, где начинается необработанный пласт. В подобных случаях образующийся термодиффузионный поток в зависимости от направления температурного градиента может приводить к стеканию влаги на не вполне доступную для семени и корневой системы глубину внутри пласта или приводить к ее испарению. Установлено, что при рыхлении отвальным плугом ПН-5-35 образуются преференциальные потоки влаги, приводящие к ее испарению или стеканию вглубь пласта, поскольку температурный градиент, в отличие от послойной безотвальной обработки почвы, не меняет направление. При послойной безотвальной обработке почвы температура снижается, а с 10 см повышается с ростом глубины, температурный градиент меняет: в слоях 0-5 см и 5-10 см - отрицательный, в слое 10-15 см - положительный. Получение структурных агрегатов требуемого размера путем рыхления с уплотнением слоя почвы внутри пласта приводит к расширению диаметра почвенных капилляров, по которым перемещается влага из глубины к испаряющей поверхности. Термодиффузионный поток 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 влагонакопительным [4]. Исследования 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. На процесс образования влагонакопительного слоя в засушливых условиях помимо теплофизических характеристик почвы непосредственное влияние оказывают параметры рабочего органа, осуществляющего рыхление обрабатываемого пласта. При послойной безотвальной обработке почвы целесообразно представить как расстояние между слоями, исходя из глубины хода каждого элемента рабочего органа. В общем случае конструкция рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы формируется из чизельного (paraplow) путем оснащения рыхлителем, монтируемым в верхней части стойки (рис. 1). С учетом глубины хода каждого элемента рабочего органа формулу (1) можно привести к виду: (5) где a - глубина обработки, м; aд - глубина хода долота, м; aр - глубина хода рыхлителя, м. Из анализа зависимости (5) следует, что при существенной разнице температуры почвы соседних слоев и уменьшении толщины обрабатываемого пласта увеличивается объем термодиффузионного потока. При этом накапливается влага путем сосредоточения в доступном для корневой системы растений слое, без диссипации по всему пахотному горизонту. Существенного различия теплофизических характеристик можно достичь при разной структуре и плотности соседних слоев почвы. Толщина обрабатываемого пласта уменьшается за счет дифференцирования слоев при послойной безотвальной обработке почвы и уменьшения глубины рыхления (относительно общей) каждым элементом рабочего органа. Таким образом, параметры рабочего органа могут оказывать непосредственное влияние на количество накапливаемой влаги. Отыскание оптимальной формы и параметров рыхлителя, долота и стойки типа paraplow рабочего органа позволит обеспечить необходимую структуру пласта для управления процессом накопления влаги в почве при условии качественного выполнения агротехнических показателей при минимуме затрат. Согласно изопериметрической теореме математики, круг из всех фигур равного периметра имеет наибольшую площадь. Поэтому рыхлитель с заданным (исходя из наименьшей металлоемкости) периметром геометрических поверхностей должен вырезать и осуществлять крошение пласта почвы с поперечным сечением в виде круга или, в случае совпадения его диаметра с горизонтальной поверхностью поля топографически гладкого на макроуровне, полукруга. Таким образом, форма рыхлителя, осуществляющего крошение пласта в вертикальной плоскости, должна быть близкой к окружности (или полуокружности). Однако, согласно теории прочности Мора, крошение пласта при наименьшем сопротивлении происходит не в вертикальной плоскости, а в плоскости сдвига по линиям скольжения, расположенной под углом ζ к поверхности дна борозды, когда наибольшее напряжение растяжения (менее энергоемкое по сравнению со сжатием) достигает предельного значения для почвы. Из математики известно, что при проектировании окружности на какую-нибудь плоскость (например, сдвига), диаметр, параллельный этой плоскости (ширина захвата рыхлителя), отображается в натуральную величину, а хорды, перпендикулярные к нему (соответствующие глубине рыхления), сокращаются в отношении, равном косинусу угла, в данном случае, сдвига почвы, который определяется суммой углов трения почвы (внешнего и внутреннего) и крошения. С другой стороны, решением математической задачи отыскания минимума периметра (AC + CB = min) рабочих поверхностей рыхлителя с помощью физической интерпретации является точка касания прямой d, ограничивающей глубину хода рыхлителя с эллипсом с фокусами A и B (рис. 2). Рис. 2. Схема к определению наименьшего периметра рыхлителя Таким образом, для уменьшения сопротивления крошению пласта целесообразно на основании физической математики представить рыхлитель в форме кривой, обладающей свойством минимума, - эллипса с малой полуосью, равной глубине хода aр, и большой осью, соответствующей ширине захвата рыхлителя В. Эллипс образован равным сжатием окружности с параметром ζ, соответствующим углу сдвига почвы: (6) (7) где β - угол крошения почвы, град.; ϕ, ρ - углы внешнего и внутреннего трения, соответственно, град. Трансформация стойки типа paraplow из ломаной линии в криволинейную обусловлена отысканием минимума. Решение задачи, физическая интерпретация которой позволяет установить преломление прямолинейной траектории перемещения точки при различии скоростей, обусловленном дифференцированием слоев почвы при послойной обработке, представляет собой дифференциальное уравнение брахистохроны первого порядка [4]. При взаимодействии пласта с чизельным рабочим органом образуется прорезь трапецеидального сечения. При этом крошение осуществляется перед лобовой поверхностью долота сдвигом при сжатии, в боковых расширениях прорези - отрывом при растяжении (рис. 3). Рис. 3. Параметры долота рабочего органа Из теории грунтов известно, что сопротивление разрушению пласта в боковых расширениях прорези в несколько раз меньше, чем сопротивление среза перед лобовой частью долота. Это происходит потому, что при сжатии (лобовая поверхность долота) требуется создать разрушающие напряжения в несколько раз больше, чем при растяжении (боковые расширения прорези). Учитывая то, что в боковых расширениях прорези крошение почвы осуществляется за счет растяжения при удельном сопротивлении в несколько раз меньше лобового, можно выбрать параметры долота для осуществления технологического процесса с наименьшими затратами энергии за счет рационального соотношения площади S поперечного сечения обрабатываемого пласта: (8) где l, b - длина и ширина долота, соответственно, м. При этом необходимо затрачивать оптимальное количество энергии при сжатии пласта почвы на долоте, создавая необходимое и достаточное напряжение (не более 3 кПа) для обеспечения качественного крошения пласта без сгруживания перед рабочим органом. При сгруживании, помимо увеличения затрат энергии, также снижается качество обработки почвы в части равномерности глубины хода долота и выровненности поля. Процесс взаимодействия долота рабочего органа с почвой можно представить в виде следующих стадий: - напряженное состояния неразрушенного пласта (до крошения); - крошение пласта (напряжения превышают предел прочности почвы на сжатие); - перемещение подвергшегося крошению пласта по долоту рабочего органа. Сгруживание почвы перед долотом возникает при недостаточном давлении подпора со стороны необработанной почвы для перемещения подвергшегося крошению пласта, т.е. при фактическом отсутствии последней стадии взаимодействия. Давление подпора со стороны необработанной почвы зависит от ее физико-механических свойств и параметров рабочего органа. Для предотвращения сгруживания при выборе параметров рабочего органа должно соблюдаться условие: (9) где σ - необходимое и достаточное напряжение для крошения почвы, Па; V - скорость движения рабочего органа, м/с; γ - плотность почвы, кг/м3; g - ускорение земного притяжения, м/с2. Зависимости (8) и (9) для обработки черноземной почвы в засушливых условиях графически представлены на рис. 4. Подставив полученные зависимости для определения глубины хода рыхлителя и долота в выражение (5), получим закономерность изменения неустановившегося термодиффузионного потока от параметров рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы с учетом ее физико-механических свойств и теплофизических характеристик: (10) Из анализа полученного выражения (10) следует, что наиболее сильно на повышение количества влаги в слое i, в соответствии с рис. 1, влияет рост глубины хода долота (в частности, увеличение его длины) и рылителя (ширина захвата) при заданной агротехническими требованиями глубине послойной безотвальной обработки почвы в сложившихся условиях физико-механических свойств и теплофизических характеристик обрабатываемой среды. Однако, согласно зависимости (9), увеличение длины долота может привести к сгруживанию почвы перед рабочим органом. Параметры рыхлителя, подготавливающего почву для прохода последующего долота, соответствуют ширине захвата рабочего органа, поэтому также не могут быть значительно увеличены. Кроме того, ширина захвата рыхлителя связана функциональной зависимостью (7) с его глубиной хода, которая при мелкой обработке почвы не должна превышать 16 см, согласно ГОСТ 16265-89 (Земледелие). В этом случае, согласно методологии природоподобных технологий, целесообразно применить принцип золотого сечения, разделив отрезок прямой (в данном случае глубину рыхления) на гармоническую пропорцию 62 % и 38 %. Если принять общую глубину рыхления a за 100 %, то глубину хода рыхлителя ap составит 38 %. При a = 34-39 см aр = 13-35 см. Полученные данные не противоречат требованиям вышеприведенного ГОСТа, поскольку глубокая обработка почвы, осуществляемая долотом, должна проводиться на глубину более 25 см, а чизелевание - 35 см. Таким образом, взаимосвязь глубины хода рыхлителя ap, долота aд и глубины рыхления a можно выразить уравнением (11). (11) Подставив в уравнение (11) зависимости для определения глубины хода рыхлителя и долота, получим соотношение на основании золотого сечения для определения рациональных параметров рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы в засушливых условиях: (12) Полученные зависимости (8) и (9) позволяют выбрать граничные условия для моделирования процесса, а выбор рациональных параметров рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы в засушливых условиях удобнее производить по соотношению (12). В дальнейшем это приведет к разработке комплекса технических средств качественно нового поколения, позволяющих повысить энергоэффективность [7], надежность при эксплуатации машин [8], улучшить показатели технологического процесса [9], создать благоприятные условия для производства сельскохозяйственной продукции и обеспечить ее конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынках. Выводы В соответствии с природоподобными технологиями, в засушливых условиях необходимо накопление влаги внутри пласта почвы. При существенной разнице температуры почвы соседних слоев и уменьшении толщины обрабатываемого пласта локально накапливается влага, доступная для корневой системы растений, без диссипации по всему пахотному горизонту. Существенного различия теплофизических характеристик можно достичь при разной структуре соседних слоев почвы. Толщина обрабатываемого пласта уменьшается за счет дифференцирования слоев при послойной безотвальной обработке почвы и уменьшения глубины рыхления каждым элементом рабочего органа. Отыскание оптимальной формы и параметров рыхлителя, долота и стойки типа paraplow рабочего органа позволит обеспечить необходимую структуру пласта для управления процессом накопления влаги в почве при условии качественного выполнения агротехнических показателей при минимуме затрат. Для уменьшения сопротивления крошению пласта целесообразно представить рыхлитель в форме кривой, обладающей свойством минимума - эллипса. Решением задачи трансформации стойки типа paraplow из ломаной линии в криволинейную является дифференциальное уравнение брахистохроны первого порядка. Параметры долота для осуществления технологического процесса с наименьшими затратами энергии выбираются за счет рационального соотношения площади поперечного сечения обрабатываемого пласта. Необходимо затрачивать оптимальное количество энергии при сжатии пласта почвы на долоте, создавая необходимое и достаточное напряжение (не более 3 кПа) для обеспечения качественного крошения пласта без сгруживания перед рабочим органом. Целесообразно применить принцип золотого сечения, разделив глубину рыхления на гармоническую пропорцию 62 % и 38 %. Глубина хода рыхлителя составит при этом 13-15 см при глубине рыхления 34-39 см. Рис. 1. Формирование запаса влаги внутри пласта почвы в засушливых условиях Рис. 4. Взаимосвязь параметров рабочего органа со свойствами почвы

About the authors

G. G Parhomenko

North Caucasus Scientific Research Institute of Mechanization and Electrification of Agriculture, Agrarian Scientific Center «Donskoy»

Email: parkhomenko.galya@yandex.ru
PhD in Engineering Zernograd, Russia

References

Supplementary files