Научная модернизация — испытание кольцевой бороны

Текст: Н. М. Иванов, д-р техн. наук, чл.-корр. РАН; Н. С. Яковлев, д-р техн. наук, гл. науч. сотр., зав. лаб.; Н. Н. Назаров, д-р техн. наук, вед. науч. сотр., ФГБУН «Сибирский федеральный научный центр агробиотехнологий РАН» (СФНЦА РАН)

Наша страна характеризуется многообразием почвенно-климатических условий, которые предъявляют особые требования к обработке полей и посеву зерновых культур. При проведении агротехнических мероприятий качество вспашки в значительной степени зависит от верности выбора орудия и его применения.

Правильно и своевременно осуществленные обработка почвы и посев играют большую роль в получении высоких урожаев. По мнению отечественных ученых из Отделения сельскохозяйственных наук РАН, для этого в стране создан полный комплекс конкурентоспособной энерго- и ресурсосберегающей техники для нулевых, минимальных и традиционных технологий выращивания зерна, адаптированного к различным почвенно-климатическим зонам России.

ПОВЫСИТЬ КАЧЕСТВО

Сегодня одной из важных задач при подготовке почвы к посеву выступает очистка полей от сорняков и выравнивание их поверхности, поэтому много внимания уделяется разработке новых технологий и машин, совмещающих данные операции. Наиболее привлекательными в этом плане являются катки с кольцевыми рабочими органами, которые одновременно с выравниванием участка убирают до 95% сорных растений и вычесывают даже осот и пырей. К такой технике можно отнести различные орудия отечественного и зарубежного производства, в частности почвообрабатывающие агрегаты и кольцевые бороны серии «Лидер», а также посевные машины «Обь-4-ЗТ», нашедшие широкое применение не только в Российской Федерации, но и в Республике Казахстан и Монголии.

В подобных орудиях кольца, выполненные в форме усеченного конуса, с заданным шагом собираются на вал в батареи, которые устанавливаются на агрегате под углом атаки. При движении обод в почве совершает перемещение со скольжением, сдвигая землю в поперечном направлении. Одна ее часть захватывается внутренней поверхностью кольца и пересыпается на край борозды, а оставшаяся — проходит сквозь него и засыпает углубление. Соответственно, по следу кольца образуется канавка, а на поверхности формируется гребень, поэтому необходимо знать особенности перемещения почвы кольцом в процессе работы. Следовательно, нужно определить технические параметры данного рабочего органа, обеспечивающие повышение качества обработки сельскохозяйственных площадей перед посевом. Последнее требование стало целью работы, осуществленной специалистами ФГБУН «Сибирский федеральный научный центр агробиотехнологий РАН». В задачи исследования также входило определение влияния основных конструктивных параметров и скоростных режимов кольцевых рабочих органов на процесс перемещения почвы.

ФАКТОРЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Действия кольца катка зависят от его геометрических размеров, угла атаки и скорости движения агрегата. Во время перемещения оно снимает пласт почвы, образуя борозду в виде сектора круга, при этом часть земли захватывается внутренней поверхностью и отбрасывается в сторону, противоположную углу атаки. В пахотном горизонте на кольцо действуют силы трения о почву и ее сопротивления сдвигу, поэтому рабочий орган замедляет вращение. Смещение почвы происходит под углом трения к направлению движения, что способствует ее просыпанию через кольцо.

Ширина борозды зависит от глубины погружения кольца в почву и является проекцией хорды его окружности на плоскость, перпендикулярную ходу агрегата. Она определяется из геометрического соотношения . В этом случае с — ширина борозды по верхней кромке в метрах, D — диаметр кольца в метрах, h — глубина обработки в аналогичной единице измерения, γ — угол атаки в градусах. Расстояние смещения почвы кольцом в сторону, противоположную углу его атаки, вычисляется по формуле . Здесь SZ — расстояние перемещения почвы, γ — угол атаки, r — радиус кольца, ψ — угол поворота рабочего органа до ссыпания почвы, g — ускорение земного притяжения.

ТОЧНЫЕ РАЗМЕРЫ

Экспериментальные исследования проводились в почвенном канале СибИМЭ, подразделении ФГБУН «Сибирский федеральный научный центр агробиотехнологий РАН», с кольцами диаметром 0,5, 0,6 и 0,7 м. Почва в ходе опытов была представлена выщелоченным черноземом, по механическому составу являлась среднесуглинистой с плотностью 0,98–1,1 г/кв. см и влажностью 13,7%. После прохода тяговой тележки с кольцом замерялись ширина следа, им оставленного, и профиль поверхности, образованной выброшенной из борозды почвой. Работа кольца проверялась на трех скоростях — 1,4, 2 и 2,5 м/с, замеры осуществлялись секундомером по прохождению контрольных точек на территории участка в 10 м. Проскальзывание рабочего органа определялось по разнице расчетного и фактически пройденного расстояния при четырех полных оборотах. Для замера профиля на высоте 70 мм от нетронутой поверхности канала натягивалась леска, размеченная на отрезки по три сантиметра, и против каждой отметки линейкой проводились измерения. Уровень размещения шнура выбирался в зависимости от высоты насыпанного гребня. Результаты вносились в журнал и приводились к естественным размерам, то есть от поверхности почвы. Графики строились с помощью программы Microsoft Office Excel.

ШИРИНА РАЗБРОСА

Анализируя траекторию перемещения почвы, необходимо отметить, что при работе скорость движения агрегата оказывается выше, чем темп отбрасывания грунта, поэтому она ссыпается с кольца позже. При большой окружной скорости катка часть почвы захватывается ободом и перебрасывается в соседний рабочий орган. При повышенной влажности происходит залипание катка, а при низкой материал вращается внутри него и смещается к краю, насыпая гребни. В связи с этим рабочая скорость комплексов, оснащенных кольцевыми катками, должна соответствовать техническим параметрам данного органа.

Исследования показали, что расстояние, на которое происходит разброс почвы, в большей степени зависит от скорости движения агрегата. При ее повышении от 1,4 до 2,5 м/с у катка диаметром 0,7 м с установленным углом атаки 24º ширина следа возрастает с 52,9 до 68,5 м. С увеличением угла от 18 до 28º у катков размером 0,7 м величина разброса почвы повышается в 1,5 раза. Высота гребня при этом колеблется от 2,28 ± 0,4 до 5,62 ± 0,3 см. При этом данная закономерность наблюдается при работе катка на всех скоростных режимах.

СВЯЗАННЫЕ ПАРАМЕТРЫ

В ходе работы также было подтверждено, что ширина полосы от кольца является результатом сложения ширины борозды и расстояния перемещения почвы и зависит от скорости передвижения агрегата, угла атаки катка и размеров самого рабочего органа. Анализируя изменение профиля следа от кольца диаметром 0,7 м, размещенного под углом 28º, можно заметить, что с возрастанием скорости увеличиваются глубина борозды и ширина полосы, а высота гребня при этом не меняется. Необходимо указать, что объем земли, выброшенной кольцом на поверхность, в этом случае превышает свободный объем борозды. Такое явление связано с изменением плотности почвы до и после ее обработки.

Увеличение диаметра также влияет на профиль следа, поскольку меняется размер хорды и соответственно повышается объем почвы, захваченной кольцом, как и ширина полосы. Чем больше почвы выброшено из борозды, тем значительнее оказывается размер следа. Наибольшее воздействие на него оказывает угол атаки рабочего органа. Например, при скорости движения агрегата 2 м/с с возрастанием данного параметра с 18 до 28º ширина следа увеличивается с 0,45 до 0,72 м. Угол атаки также существенно воздействует на объем выброшенной кольцом почвы. Помимо этого, большое влияние на размер полосы оказывает глубина обработки почвы, ее влажность и физическое состояние. В частности, с возрастанием глубины с 0,56 до 0,89 м при скорости движения агрегата 2,5 м/с ширина следа кольца повышалась с 0,62 до 0,76 м.

УНИФИКАЦИЯ УЗЛОВ

Результаты исследований были использованы для усовершенствования почвообрабатывающих агрегатов «Лидер», которые возделывают почву на глубину до 16 см, вычесывают сорняки, выравнивают поверхность поля и производят подпочвенное прикатывание, препятствующее испарению влаги. Также был разработан размерный ряд машин, базирующийся на унификации наиболее трудоемких в изготовлении узлов. Например, агрегаты «Лидер-6,5Н» и «Лидер-7,2Н» располагают общей центральной рамой с навеской и катками. Последний элемент у всех устройств имеет один размер и унифицирован с параметрами модели «Лидер-4» и посевной машины «Обь-4-ЗТ». Ширина агрегатов позволяет соединять их с тракторами от 14 до 60 кН. Определяющими этот параметр у машины показателями являются тип и размер рабочих органов, а также расстояние между рядами двух соседних лап. Конструкция рамы некоторых моделей предусматривает трехрядное расположение лап. Данная особенность позволяет им работать при повышенной влажности и большом количестве сорняков. Агрегаты при транспортировке укладываются до размера в 4,4 м. Их можно использовать на легких почвах с тракторами класса от 30 кН, на тяжелых — с техникой на 50–60 кН. За машинами можно прицепить сеялки СЗП-3,6 и одновременно с обработкой почвы проводить посев зерновых культур. Рабочая ширина механизмов кратна размеру посевных орудий.

РАЦИОНАЛЬНЫЙ ПОДХОД

Усовершенствованные по итогам исследований модели прошли испытания в ФГБУ «Алтайская МИС». По их результатам были отмечены определенные достоинства техники: высокая производительность, удобство и маневренность при транспортировке, простота обслуживания. Технические показатели машин на сплошной обработке пара и стерни позволили их использовать в агрегате с трактором К-701.

Итоги исследования также были использованы при разработке новых кольцевых борон. Их рабочим органом являются кольца в форме усеченного конуса диаметром 0,7 м с шагом установки 0,19 м и углом атаки 25º. Механизм «Лидер-БКМ-3,6» применяется как модуль для составления прицепных агрегатов с рабочей шириной захвата 7,2, 10,8, 14,4 и 16 м. Данные устройства хорошо зарекомендовали себя при обработке паровых полей. Главным недостатком агрегатов является сложная транспортировка при переезде с одного на другое поле. Более удобными в эксплуатации могут стать складывающиеся бороны «Лидер-БКС-8» и «Лидер-БКС-12,8». Основное применение они находят при обработке паровых полей и подготовке участка под посев. Каток при движении машин врезается в грунт тупой кромкой, при этом происходит защемление сорняка между кольцом и почвой, однако он не перерезается, а выдергивается с корнями.

Таким образом, выявленные специалистами закономерности формирования следа и разброса почвы катком в зависимости от скорости агрегата, диаметра кольца и угла атаки позволили подобрать рациональные технические и технологические параметры усовершенствования отечественных почвообрабатывающих и посевных машин с целью проведения качественной обработки полей. Точный подбор практически исключил вероятность зависания и налипания почвы, обеспечивая надежную работу агрегатов. Разработанные на основе этих сведений устройства и кольцевые бороны уничтожают до 95,4% сорняков, функционируют на скорости до 12 км/ч, имеют удельное сопротивление до 3,5 кН/м при среднем расходе топлива 3,5 кг/га. Данные машины совмещают несколько операций и дают возможность хозяйствам перейти на новый уровень ресурсосберегающих технологий, существенно повышающий рентабельность производства зерна. Однако в любом случае выбор всегда остается за сельхозпроизводителем.