VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В настоящее время в сфере сельского хозяйства сложилось, в основном, два принципиально различных способа основной обработки почвы: отвальный (вспашка) и безотвальный.

По результатам анализа, выполненного ВИМом, отвальная (классическая) обработка почвы, на период до 2020 г. будет проводится на 55…60 % всех пахотных площадях страны. Преимущества этого вида обработки заключается в качественной заделке растительных остатков, органических удобрений, экологически чистой борьбе с болезнями и сорняками. Так же она еще долго будет применяться для обработки очень твердых или быстро уплотняющихся почв. Между тем отвальная вспашка имеет свои недостатки. Недостатки отвальной обработки в основном связаны с большими энергозатратами, в виду чего рациональнее сочетание отвальной и безотвальной обработок – послойной (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема основной послойной обработки почвы

По какой технологии верхний слой пахотного горизонта (а₁ = 10…16 см), должен хорошо крошится, и оборачиваться, то есть подвергаться отвальной обработке, а нижележащий (а₂ = 0,14…0,2) – рыхлится.

Такая обработка, сохраняя достоинства отвальной вспашки (проводимую на туже глубину – ) – менее энергоемка, и обеспечивает лучшую водопроницаемость почвы [1, 2].

Она обеспечивает наиболее благоприятные условия для произрастания культурных растений накоплению гумуса, а также, вследствие мульчирования, «эрозийную устойчивость дневной поверхности поля».

С другой стороны, по такой технологии распределение влаги осуществляется более «комфортно» как на выровненных, так и на склоновых участках поля. Как видно из рисунка 2, осадки из пахотного горизонта I концентрируются непосредственно в разрыхленном слое II, откуда происходит внутрипочвенное её распределение (III). При этом, как следствие улучшаются водопоглощающие свойства почвы, снижается её размывание, что повышает общие запасы влаги в почве.

Рисунок 2 – Схема распределения влаги при послойной обработке почвы

Вспашка с одновременным рыхлением подпахотного горизонта – одно из перспективных направлений совершенствования технологий основной обработки почвы.

Исходя из вышеизложенного для дальнейших расчетов примем предложенные параметры борозды подпахотного горизонта при послойной обработки почвы.

Для данного способа вспашки разработана конструкция рабочего органа [3, 4, 5, 6], применяющегося на базе серийно выпускаемого плуга ПЛН-5-35 изображенного на рисунке 3.

Рабочий орган (рисунок 3) состоит из рамы, корпусов и выравнителя. В качестве несущей конструкции используется стойка, на которой для крепления корпуса высверливаются отверстия, что позволяет переставлять корпус на различную глубину обработки: от 12 до 16 см. ширина захвата корпуса и нижней рыхлителя составляет 35 см, а глубина обработки до 35см.

При этом расположенный позади плуга выравниватель рыхлит почву, одновременно выравнивая поверхность поля, способствуя более качественной подготовки почвы.

1 – рама; 2 – комбинированный корпус; 3 – выравниватель

Рисунок 3 – Плуга ПЛН-5-35 с предлагаемыми рабочими органами

При обосновании конструктивной схемы предлагаемого рабочего органа в первую очередь необходимо определить расстояние между носками лемеха основного корпуса и рыхлителя. Следовательно, зона деформации почвы по направлению движения должна быть меньше расстояния между носками лемеха основного корпуса и рыхлителя, определяющаяся по формуле [2]:

(1)

где – длина вылета носка рыхлителя подпахотного горизонта (= 0,1 м);

– длина распространения зоны деформации почвы от носка рыхлителя, м;

– угол крошения ( = 20…90⁰);

– угол трения почвы по материалу (сталь) рыхлителя ( = 25⁰).

В поперечном направлении:

(2)

где – ширина деформации почвы в поперечном направлении (0,35 м);

– ширина захвата рыхлителя, м;

– угол скалывания почвы в поперечном направлении ().

Откуда можно найти ширину захвата рыхлителя:

(3)

Рассчитываемые зоны деформации почвы клином в продольном и поперечном направлениях показаны на рисунке 4.

Подставив известные значения в выражения 1 и 3, получим зону деформации почвы по направлению движения м, а ширину захвата рыхлителя, при наименьшей глубине рыхления м.

Для изготовления опытного образца рыхлителя и его дальнейшего испытания, необходимо определить его основные конструктивные параметры, в соответствии с условиями его работы. Рыхлитель спроектирован, как трехгранный клин, расположенный под углом к линии его движения (в виде стрельчатой лапы).

Рисунок 4 – Зоны деформации почвы клином в продольном и поперечном направлениях

К основным параметрам разрабатываемого рыхлителя можно отнести следующие:

а₂– глубина обработки рыхлителя (а₂=0,14…0,2 м), задается общей глубиной обработки а=0,3 м (сопоставима с глубиной обработки плугов общего назначения, минус глубину отвальной обработки а₁=0,1…0,16 м);

– ширина захвата рыхлителя, м;

– ширина захвата левой части рыхлителя, относительно центра его симметрии, м:

(4)

– ширина захвата правой части рыхлителя, относительно центра его симметрии, м:

(5)

– ширина захвата центральной части рыхлителя (определяющаяся конструктивными параметрами рабочего органа), ;

– угол постановки рыхлителя к стенке борозды, относительно линии его движения.

Задача по определению постановки угла рыхлителя относительно стенки борозды, сводится к тому, что необходимо подобрать такой угол , при котором не происходит обволакивание лезвия корнями сорняков. Исследователи данного вопроса обосновывают его со скользящими способностями сорняков вдоль лезвия и описывают это условие зависимостью:

(6)

где – угол трения сорняка на лезвии, град.

Если это условие не выполняется, то происходит налипание сорняка на рабочий орган, тем самым в разы увеличивая его сопротивление.

Синеоков Г.Н. в своих исследованиях определил угол , что соответствует углу . В реальных же условиях на рабочие органы действуют различные факторы: налипание, вид почвы и др. Для нормальной работы необходимо обеспечить условие:

(7)

где – прирост угла в результате действия сил инерции, град.

Таким образом, действительный угол , находится в диапазоне 55…80⁰ и если сравнивать его с углом на культиваторах отечественного производства, то . Предлагаемый же нами рыхлитель схож со стрельчатыми рабочими органами по своим функциям. Примем раствор рахлительной лапы аналогичный раствору универсальной стрельчатой лапы, применяемой на плоскорезах.

По тяговому сопротивлению плуга можно судить об энергоемкости процесса вспашки, и поэтому служит одной из важнейших эксплуатационных характеристик.

Тяговое сопротивление усовершенствованного плуга R _х складывается из двух видов деформаций (разрушений) почвенного пласта

R_X = R₁ + R₂(8)

где R₁ – сопротивления, связанные с деформацией, оборотом и сдвигом верхнего пласта, в результате воздействия лемешно-отвальной поверхности, кН;

R2 – сопротивление, связанное с рыхлением пласта, кН.

Проанализировав работу плуга В. П. Горясчкин установил, что его тяговое сопротивление состоит из трех различных категорий. Для определения силы R₁ используем рациональную формулу В. П. Горячкина, которая имеет вид:

R₁ =fG + K₁а₁вn + а₁вn²(9)

где f= 0,5 коэффициент пропорциональности;

G = 8,2 кН масса плуга;

K₁ = 50 кПа удельное сопротивление почвы;

a₁ = 0,16 м глубина почвенного пласта;

в = 0,35 м ширина почвенного пласта;

= 5 кПа с /м² коэффициент скоростного сопротивления;

=1,4 м/с рабочая скорость агрегата;

n = 5 число обрабатываемых пластов.

R₁=0,58,2+500,160,355+50,160,3551,4²=20,8кН

Сопротивление R₂, обусловленные деформацией почвенных пластов, определяем по условию:

R₂=K₂вn (10)

где К₂=4,2кН/м – удельное сопротивление безотвальной обработки почвы.

R₂=4,20,355=7,35 кН

Подставляя полученные значения в R₁ и R₂ в формулу (8) и определяем тяговое сопротивление усовершенствованного плуга:

R_х=20,8 + 7,35=28,15 кН

Тяговое сопротивление прототипа R при глубине вспашки a₁ = 0,32 м отвальными плужными корпусами определяется по формуле (9):

R=0,58,2+500,320,355+50,320,3551,4²=37,6 кН

Снижение тягового сопротивления плуга с рабочими органами для послойной обработки почвы, а значит и энергоемкость процесса вспашки определяется из выражения:

(11)

В свою очередь КПД любого устройства в общем случае – отношение полезной работы ко всей затраченной. КПД усовершенствованного плуга определяется по выражению:

(12)

В предлагаемой конструкции сопротивления, связанные с сообщением кинетической энергией пластам, отбрасываемых в сторону, практически отсутствует, поэтому КПД усовершенствованного плуга гораздо выше.

Библиографический список:

1. Исаев, Ю.М. Влияние формы рыхлителя подпахотного горизонта на тяговое сопротивление /Ю.М. Исаев, В.А. Богатов, А.В. Павлушин, //Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2008. –№5. – С. 16-17.

2. Павлушин А.В. Снижение энергозатрат основной обработки почвы использованием комбинированного рабочего органа плуга: Автореф. дис. ... к-та техн. наук. – Пенза.: 2010. – 20 с.

3. Патент № 2273119 РФ. Комбинированный почвообрабатывающий рабочий орган / В.А. Богатов, В.И. Курдюмов, А.В. Федоров, А.В. Павлушин. – Опубл. 10.04.2006; Бюл. № 10.

4. Патент № 229745 РФ. Комбинированный почвообрабатывающий рабочий орган / В.А. Богатов, А.В. Павлушин, В.И. Курдюмов. – Опубл. 27.04.2007; Бюл. № 12.

5. Патент на полезную модель № 79744. Корпус плуга. / А.В. Павлушин, С.В. Павлушин, В.А. Богатов, К.Р. Кундротас. – Опубл. 20.01.2009; Бюл. – № 2.

6. Патент на полезную модель № 94795. Почвообрабатывающий рабочий орган / А.В. Павлушин, В.А. Богатов, К.Р. Кундротас. – Опубл. 10.06.2010; Бюл. – № 16.

Код для цитирования: Скопировать