Analysis of problem of soil compaction and search for ways to its solving

Abstract

The article considers a problem of soil compaction due to its treatment. The main negative after- effects are listed. Existing and potential technical solutions in tractor engineering reducing negative factors of the mentioned problem are considered.

Full Text

В настоящее время можно выделить следующие основные проблемы земледелия: разрушение структуры и уплотнение почвы; водная и ветровая эрозия почв; потеря гумуса; разрушение почвенных экосистем. Уплотнение почвы - это увеличение объемной плотности почвы, характеризующееся снижением ее урожайности и качества. Если рассматривать упрощенно, почва состоит из твердых минералов, органических частиц и пор. При уплотнении размер пор уменьшается, что ведет к уменьшению воздуха и влаги в почве, негативно влияющее на прорастание се- мян, появление всходов, рост корневой системы, потребление питательных веществ и все остальные фазы роста сельскохозяйственной культуры [1]. Поэтому в настоящее время уделяется много внимания по созданию различных кон- структивных решений, позволяющих снизить уплотняющее воздействие трактора (колесного или гусеничного) на почву при агрегатировании его с сельскохозяйственными орудиями. Для этого необходимо проанализировать уровень техники и технологии обработки почвы, предлагаемые планируемые и проектируемые способы решения проблемы уплотне- ния почвы. Выделяют несколько факторов, вызывающих уплотнение почвы: в регионах с лёссовыми почвами дождь создает твердую корку на поверхности почвы; пахота и дискование создают уплотненный слой почвы толщиной 3-5 см чуть ниже глу- бины обработки, который устраняется периодической обработкой плугами и культивато- рами на глубину, превышающую обычную обработку; необходимо избегать минимального севооборота, так как корневые системы разных куль- тур помогают снизить уплотнение подпочвы; воздействие тракторов и комбайнов вызывает глубокое уплотнение, особенно когда рабо- ты начинаются весной, когда почва недостаточно суха, чтобы выдержать вес техники. Уплотнение почвы имеет свои плюсы и минусы. С одной стороны, умеренное уплотне- ние ускоряет скорость появления ростков, обеспечивая хороший контакт между почвой и семенами, и уменьшает потери воды из-за испарения, тем самым, защищая почву вокруг се- мян от высушивания. Исследования, проведенные в Северной Америке и Европе, показыва- ют (рисунок 1), что в засушливые годы на почвах с очень низкой сыпучей плотностью уро- жай постепенной возрастал с увеличением уплотнения, достигая своего пика с оптимальным уплотнением для каждого вида почвы, культуры и климатических условий [2]. В то же время при сырой погоде урожай уменьшался с увеличением уплотнения [2]. Рисунок 1. Зависимость урожая зерновых от уплотнения почвы в сухой и влажный периоды С другой стороны, сильное уплотнение задерживает рост корневой системы, ограничи- вает способность потреблять воду и питательные вещества. Исследования показали, что в неуплотненной почве корни занимали гораздо больший объем [3, 4]. Исследования американских специалистов доказали снижение урожая хлебов на 8…13 % из-за уплотнения почвы. Эксперименты, проведенные во многих странах, в том числе и СССР, с использованием колёсных тракторов, которые оказывали давление 196 кПа на пылевато-иловатом суглинке, показали снижение урожайности картофеля более чем на 50% [5]. Помимо этого, уплотнение почвы уменьшает популяции грибов, бактерий и нематод. Из-за меньшего размера пор влага дольше задерживается в почве, что заставляет некоторые организмы потреблять азот вместо кислорода, что усиливает денитрификацию. В результате, использование азота становится менее эффективным и требует дополнительного его внесе- ния для сохранения объемов урожая [3]. Разложение органических веществ идет медленнее в уплотненной почве [6]. Проблема уплотнения почвы в большей мере связана с работой тракторов и сельскохо- зяйственных машин. Это самый сильный фактор, вызывающий уплотнение. С развитием сельского хозяйства, увеличением площади обрабатываемых земель, появилась необходи- мость в увеличении мощности тракторов, способных работать с широкозахватными орудия- ми, а также работать в сцепке с несколькими орудиями для выполнения нескольких опера- ций за один проезд по полю. Так, например, средняя масса тракторов в США за период с 1950 по 1998 гг. выросла с 2,7 т до 7 т (рисунок 2) [3]. Рисунок 2. Средняя масса тракторов в США по годам Рассматривая статистику по отечественным сельскохозяйственным тракторам, средняя масса гусеничных тракторов за период 1920 - 2010 гг. составила 8 т (рисунок 3), колесных тракторов за период 1955 - 1995 гг. составила 6,2 т (рисунок 4). Масса современных тракто- ров компании New Holland составляет от 5 т до 22 т, компании Case - от 4 т до 29 т, Fendt - от 12 т до 18 т, Massey-Ferguson - от 4,2 т до 16 т. Из мировой истории видно, что тракторы становятся мощнее и тяжелее. Это приводит к уплотнению и переуплотнению почвы. Рисунок 3. Эксплуатационные массы отечественных гусеничных тракторов по годам начала выпуска Рисунок 4. Эксплуатационные массы отечественных колёсных тракторов по годам начала выпуска Решать проблему уплотнения почвы необходимо, избегая воздействий, приводящих к негативным последствиям, или уменьшая степень влияния факторов. Стандартизация размеров колеи сельскохозяйственных машин и тракторов совместно с регулируемым движением по полю позволяют одновременно использовать различные сель- скохозяйственные агрегаты для сокращения количества проездов и установить минимальное постоянное число колей, по которым они будут осуществляться [2]. Недостатком данного способа является настройка ширины колеи на всех машинах, что не всегда может быть осу- ществлено. Рыхление подпочвы безотвальными плугами также дает положительный эффект. Одна- ко такая обработка может навредить при достаточно сырой почве [2]. Увеличение органических веществ в почве за счет пожнивших остатков, выращивания защитных культур, использования компоста и навоза увеличит биологическую активность, что позволит почве лучше сопротивляться уплотнению [3]. Таким образом, к решению проблемы уплотнения можно подойти двумя путями: со стороны улучшения технологий в сельском хозяйстве и со стороны улучшения конструкции сельскохозяйственной техники. Как гусеницы, так и накаченные должным образом шины влияют одинаково на поверх- ностное уплотнение. Тракторы с массой менее 10 т на ось создают уплотнение в верхних 15- 20 см почвы, что может быть сглажено пахотой. Но тяжелые тракторы, комбайны и зерново- зы весят значительно больше и, не смотря на тип движителя, могут создавать уплотнение глубиной до одного метра. В целом, контактное давление определяет в основном уплотнение пахотного слоя, в то время как нагрузка на ось определяет уплотнение подпочвы. Исследования показали, что тракторы как колесные, так и гусеничные создают уплотнение в верхних до 20 см слоях поч- вы, и ниже этой глубины уплотнение было незначительным. Но принимая во внимание тот факт, что глубина уплотнения есть результат общей нагрузки на ось, роль контактного дав- ления второстепенна. Следовательно, тяжелые комбайны и тракторы, чья масса достигает 15- 22 т, создают глубокое уплотнение подпочвы вне зависимости от типа движителя [2, 7]. Значит, снизить уплотняющее воздействие можно за счет более равномерного распре- деления веса машины по осям (в случае колесного трактора) или по опорной поверхности (в случае гусеничного трактора). Рассмотрим устройства и способы, позволяющие перераспределить вес трактора. К та- ким устройствам относятся механический догружатель ведущих колес (ДВК) и гидравличе- ский ДВК, именуемый также гидравлическим увеличителем сцепного веса (ГСВ). Механиче- ским ДВК оснащаются, в основном, колесные тракторы с колесной формулой 4×2 из-за не- удовлетворительных сцепных свойств ходовой системы при выполнении тяговых операций с максимальным усилием на крюке [8]. Механический ДВК увеличивает нормальную реакцию почвы на задние (ведущие) колеса трактора, за счет чего сцепные свойства возрастают. Од- нако при этом нормальная реакция почвы на передние колеса уменьшается, что негативно сказывается на управляемости, и ведет к увеличению уплотнения почвы под задними коле- сами. Гидравлический ДВК или гидравлический увеличитель сцепного веса (ГСВ) перерас- пределяет вес на заднюю часть трактора при работе основного гидроцилиндра, который дей- ствует в сторону подъема орудия. При этом также происходит перераспределение массы трактора между осями, что ведет к увеличению уплотнения почвы под задней частью трак- тора. Также, в настоящее время, для улучшения тягово-сцепных свойств и снижения давле- ния колесных тракторов на грунт применяют сдваивание и страивание колес [8]. На тракторах с колесной формулой 4×4 для улучшения тягово-сцепных свойств перед- них ведущих колес применяют балластирование передней оси трактора [8]. В зависимости от класса трактора требуется различный вес балластных грузов, общая масса которых может достигать 5 т. Масса трактора увеличивается на 5 т, что ведет к увеличению уплотнения поч- вы. Известны устройства повышения тягово-сцепных свойств трактора при выполнении сельскохозяйственных операций, которые нагружают переднюю ось трактора в необходимом количестве в зависимости от нагрузки на переднюю ось [9, 10]. В первом случае перемеща- ется балласт, а во втором случае сама передняя ось может перемещаться вдоль продольной оси трактора, меняя развесовку по осям, что косвенным образом снижает уплотняющее воз- действие на почву. Другие технические решения, например [11, 12], представляют собой устройства для более равномерного распределения нагрузки по осям буксирующего транспортного средства при буксировании им прицепа или других машин. В одном из патентов [13] рассматривается устройство для улучшения тягово-сцепных показателей машинно-тракторного агрегата с навесным почвообрабатывающим орудием с помощью механизма, который позволяет управлять изменением момента сил, действующих на трактор, и перераспределять нагрузки по опорной поверхности трактора. Данное устрой- ство улучшает тягово-сцепные свойства гусеничного трактора через равномерное распреде- ление давления на опорную поверхность, а для колесного трактора с неполным приводом ведущих колес улучшение свойств рассматривается через догрузку задних ведущих колес. Перенос веса на задние ведущие колеса негативно сказывается на физических свойствах почвы. Поэтому с точки зрения уплотнения почвы данный способ дает положительный эф- фект только на гусеничных тракторах и колесных тракторах с полным приводом ведущих колес. Как видно из сказанного выше, проблема уплотнения почвы носит сложный и разно- сторонний характер. Она является актуальной проблемой на сегодняшний день, поскольку последствия сказываются на качестве и количестве каждого следующего урожая, на качество продукции. Анализируя указанные и другие технические решения можно сделать вывод, что одним из перспективных решений проблемы уплотнения почвы является уменьшение давле- ния на грунт путем перераспределения моментов, действующих во время работы машинно- тракторного агрегата с любым типом движителя, так как, во-первых, балластирование пе- редней оси увеличивает массу трактора, во-вторых, необходимость балластирования отпада- ет из-за перераспределения веса. Таким образом, одним из направлений повышения тягово-сцепных свойств движителя трактора и снижения уплотнения почвы является разработка специального устройства, поз- воляющего использовать силы и моменты, возникающие при обработке почвы и действую- щие на машинно-тракторный агрегат, для перераспределения его веса. Следует отметить, что при перераспределении веса необходимо обращать внимание на буксование движителя, которое определяется максимальным значением на определенном почвенном фоне в соответствии с ГОСТ. Также при расчете распределения веса необходимо выбрать такую схему, при которой тяговый КПД трактора будет максимальным.