Культиваторы

Культиваторы — почвообрабатывающие машины, выполняющие сплошную предпосевную подготовку почвы на глубину заделки семян, уничтожение сорняков в междурядьях пропашных культур и профилирование поверхности обработанного поля.

В отличие от других машин поверхностной обработки почвы, культиваторы снабжены колёсами для поддержания постоянной глубины обработки и набором сменных рабочих органов. Большинство культиваторов представляют собой орудия пассивного действия, где основными рабочими органами являются лапы; реже встречаются фрезерные культиваторы с рабочими органами в виде ножей.

Назначение культиваторов варьируется в зависимости от типа обработки:

Сплошная культивация: применяется для уничтожения сорняков и рыхления почвы без её оборачивания при уходе за парами и подготовке к посеву. Рыхление почвы в данном случае способствует накоплению и сохранению влаги и питательных веществ в форме, доступной для усвоения их растениями. Паровые культиваторы используют с целью уничтожения сорняков и рыхления почвы при её подготовке к посеву, а также при уходе за парами.
Междурядная обработка (пропашные культиваторы): применяется для обработки посевов пропашных культур. С их помощью, помимо уничтожения сорняков (подрезанием, вычесыванием и присыпанием землей), проводят подкормку растений (внесение удобрений) и рыхление междурядий.
Специальное назначение: к этой группе относятся садовые, лесные, противоэрозионные (например, штанговые) и другие машины.

Основные технологические задачи. При работе культиваторы должны уничтожать 98…99 % сорняков (исключая защитную зону при междурядной обработке) и рыхлить почву без выноса влажных слоёв на поверхность и без распыления.

Предпосевную культивацию проводят обычно на глубину заделки семян зерновых культур. После культивации верхний слой почвы должен быть мелкокомковатым, поверхность поля — ровной, а сорные растения — полностью подрезаны.

Классификация

Согласно принятым стандартам и практике сельскохозяйственного машиностроения, культиваторы классифицируют по нескольким признакам:

По назначению культиваторы подразделяют на:

Для сплошной обработки (паровые): к ним относятся собственно паровые культиваторы, рыхлители, культиваторы-плоскорезы, чизельные, штанговые, фрезерные, садовые, виноградниковые и др..
Для междурядной обработки (пропашные): применяются для обработки посевов пропашных культур. Они делятся на: высокостебельные и низкостебельные. Культиваторы, снабженные приспособлениями для внесения удобрений, называются культиваторами-растениепитателями. Стоит отметить, что универсальные пропашные культиваторы могут использоваться и для сплошной обработки почвы.
Специального назначения: садовые, лесные, противоэрозионные (например, штанговые), хлопковые и другие.

По способу агрегатирования с трактором:

прицепные;
навесные;
полунавесные;
монтируемые.

Широкозахватные (свыше 6 м) культиваторные агрегаты образуются при помощи гидрофицированных сцепок или путём размещения рабочих органов на отдельных шарнирно сочленённых секциях.

По способу крепления рабочих органов к раме:

Жесткое крепление: характерно для культиваторов специального назначения.
Шарнирное крепление: применяется у большинства остальных типов культиваторов. При этом у машин для сплошной обработки рабочие органы обычно крепятся к раме через грядили (реже — непосредственно к раме), а у пропашных культиваторов — через секции, образующие шарнирный четырехзвенник.

По характеру действия рабочих органов:

Пассивного действия: подавляющее большинство культиваторов, где рабочими органами служат лапы.
Активного действия: фрезерные культиваторы, рабочими органами которых являются ножи, совершающие принудительное вращение.

Устройство и принцип работы

Типы лап культиваторов:

a — односторонняя плоскорежущая (бритва); б — стрельчатая универсальная; в — долотообразная рыхлительная; г — оборотная рыхлительная; д — копьевидная рыхлительная; е — окучивающая: 1 — наральник; 2 — лемех; 3 — грудь отвала; 4 — стойка; 5 — крыло отвала

Культиватор состоит из рамы, опорных колёс, рабочих органов и механизмов их подъёма/регулировки. Основными рабочими органами культиваторов являются лапы различных типов. По характеру воздействия на почву их делят на подрезающие, рыхлительные и специальные.

Принцип работы. При движении культиватора лапы заглубляются в почву под действием веса машины или принудительно. Подрезающие лапы скалывают слой почвы, перемещают его по своей поверхности, разрыхляют и подрезают корни сорняков. Рыхлительные лапы (долотообразные, оборотные) раздвигают частицы почвы в стороны и вверх, разрушая связи между ними без оборота пласта.

Регулировка глубины обработки осуществляется изменением положения опорных колес относительно рабочих органов с помощью винтовых механизмов или перестановкой лап в держателях.

Стойки культиваторов

Рабочий орган культиватора состоит из стойки 1 и прикрепленной к ней лапы 2 (рис.). Стойки бывают:

жёсткие. К ним крепят односторонние и стрельчатые лапы на паровых и пропашных культиваторах (рис., а, б), а также полольные и рыхлительные лапы. Жесткие стойки бывают литыми или штампованными.
Жёсткие комбинированные, положение которых можно менять относительно стойки в вертикальной плоскости, что позволяет устанавливать различные лапы под требуемым углом. Их применяют на пропашных культиваторах, имеющих несколько комплектов рабочих органов.
Пружинные стойки устанавливают для крепления как стрельчатых, так и рыхлительных лап, предназначенных для вычесывания поверхности поля от сорняков и ее рыхления (рис. в, г).
Усиленные стойки применяют на противоэрозионных культиваторах.

При неправильном выборе параметров и размеров жёсткие стойки лап часто являются причиной забивания культиватора сорняками.

Профиль стойки характеризуется вылетом L и очертанием кривой радиуса R. Для жёсткой стойки наиболее целесообразно очертание кривой, описанной радиусом R из точки, лежащей на нормали к стороне угла входа лапы и находящейся на высоте H от опорной плоскости лапы. Высота зависит от заглубления лапы: H ≥ 2а, где а — глубина обработки. Ее принимают равной H = 200…250 мм.

Вылет:

{ L = R (1 - \sin а) + l \cos а. }

где

l: — длина прямого участка лапы.

Обычно вылет L = 200…250 мм. Меньший вылет у стойки приводит к быстрому забиванию сорняками, а больший отрицательно влияет на прочность. Применение пружинных стоек позволяет снизить энергозатраты на обработку на 25…30 % по сравнению с жестким креплением рабочих органов.

Подрезающие лапы

Культиватор:

а — универсальная стрельчатая лапа; б — варианты положений лапы в вертикальной плоскости; в, ж — расстановка рабочих органов; г, д, е — рыхлительные лапы; з — общий вид культиватора КПС-4Г; 7, 12, 15 — наральники; 2, 11, 14 — стойки; 3 — болты; 4, 10 — держатели; 5 — штанга; 6 — пружина; 7 — упор; 8 — грядиль; 9 — лапа; 13 — подпружинник; 16 — пружина; 17 — гидроцилиндр; 18 — сница; 19 — серьга; 20 — подставка; 21 — регулятор глубины; 22 — рама; 23 — угольник; 24 — штанга с пружиной; 25 — колесо; 26 — рабочие органы; 27— понизитель; 28 — приспособление для навески борон; 29 — зубовая борона

Предназначены для подрезания сорняков и рыхления почвы на небольшую глубину. К ним относятся:

Плоскорежущие односторонние лапы (бритвы): применяются для уничтожения сорняков в междурядьях. Состоят из вертикальной стойки, горизонтального лезвия (ножа) и щеки. Угол наклона лезвия к дну борозды составляет 2…3°, а угол смятия почвы (угол между лезвием и направлением движения) равен 28…32°. Ширина захвата варьируется: 150, 165 и 250 мм.
Плоскорежущие стрельчатые лапы: подрезают сорняки и рыхлят почву без перемешивания слоев. Имеют угол крошения 10…15° и ширину захвата 145…440 мм.
Универсальные стрельчатые лапы (рис., а): не только подрезают сорняки, но и интенсивно рыхлят почву. Копьевидный наральник 1 прикреплен к жесткой стойке 2. Угол наклона лезвия к горизонтали 23…30°, угол между лезвиями 60…65°, ширина захвата 270 и 330 мм. У Листопада указывается, что угол крошения у таких лап составляет 25…30°.

Рыхлительные лапы

Используются для глубокого рыхления почвы без выноса влажных слоев на поверхность:

Долотообразные лапы: заканчиваются заостренным носком (долотом) шириной 20 мм. Стойка изогнута вперед, чтобы лапа лучше заглублялась. Применяются для разрушения плужной подошвы на глубину до 15 см.
Оборотные лапы (рис., б): имеют два заостренных конца. При износе одного конца лапу переворачивают. Ширина захвата 45…60 мм. Закрепляются на жестких или пружинных стойках.
Копьевидные лапы: наральнику придана форма острия копья. Ширина захвата около 50 мм. Хорошо рыхлят плотные почвы.

Специальные рабочие органы

Лапы-бритвы с бортиками: используются для обработки защитных зон.
Окучники: служат для нарезания гребней, засыпания сорняков в рядках и окуривания растений. Состоят из стойки, носка, двух раздвижных крыльев и пятки.
Арычники-бороздорезы: применяются для нарезания поливных борозд.
Лапы-растениепитатели (подкормочные ножи): предназначены для рыхления междурядий и внесения в почву минеральных удобрений. Имеют воронку (трубку) для подачи удобрений за лапу.
Игольчатые диски: используются для разрушения почвенной корки и уничтожения сорняков в рядках.
Ротационные лапы: диски с зубьями для обработки защитных зон.

Размещение рабочих органов на раме машины

Общие принципы размещения

Культиваторы:

a — для сплошной обработки почвы; б — для междурядной обработки почвы; 1 — прицепная серьга; 2 — гидроцилиндр; 3 — опорное колесо культиватора; 4 — пружины; 5 — грядиль; 6 — стрельчатая лапа; 7, 15 — колеса трактора; 8 — система навески; 9 — рама; 10 — параллело-граммный механизм; 11 — стойка; 12 — односторонняя лапа; 13 — копирующее колесо; 14 — окучник; h — глубина обработки; b₁, b₂ — ширина захвата лап соответственно первого и второго ряда; Δb — перекрытие между лапами; S — ширина междурядья; е — защитная зона

Рабочие органы культиваторов (лапы, бритвы, рыхлительные зубья) размещают на раме в два или три ряда. Это позволяет увеличить расстояние между смежными лапами в ряду в 2…3 раза по сравнению с расстоянием между их следами, что снижает вероятность забивания промежутков почвой и растительными остатками.

Типы лап и их установка:

Односторонние, стрельчатые полольные и универсальные лапы устанавливают с перекрытием Δb = 50…70. Перекрытие необходимо, чтобы исключить огрехи (необработанные полоски) при неточном вождении агрегата и боковых смещениях.
Рыхлительные лапы устанавливают с недорезом. Сплошность обработки достигается за счёт распространения зон деформации почвы в стороны, которые полностью перекрывают пространство между следами соседних лап (рис., а).

Обоснование величины перекрытия

Перекрытие необходимо не только для компенсации погрешностей движения, но и для обеспечения беспропускной обработки при случайных отклонениях культиватора от прямолинейного движения.

Если лапы установлены в два ряда с расстоянием L между рядами по ходу культиватора, то связь между перекрытием и допустимым углом отклонения α выражается соотношением:

{ \tg α = \frac {Δb}{L} , }

где

α: — угол случайного отклонения от прямой линии;
Δb: — ширина перекрытия;
L: — расстояние между рядами лап.

Практические рекомендации:

Перекрытие выбирают таким, чтобы при отклонении на угол α = 7…9° не образовывалось огрехов.
При шарнирном креплении лап перекрытие принимают 40…80 мм.
При жёстком креплении перекрытие может быть меньше — 25…45 мм.

Размещение рыхлительных лап с учётом зон деформации почвы

Рыхлительные лапы устанавливают с недорезом, полагаясь на распространение деформации почвы в стороны.

Зона деформации почвы от рыхлительной лапы (рис.):

1. В продольном направлении (по ходу лапы):

{ l = l_0 + l_1 = l_0 + a \tg (\alpha + \varphi), }

где

a: — глубина обработки;
α: — угол крошения;
φ: — угол трения почвы по металлу;
l₀: — конструктивная длина носка лапы.

2. В поперечном направлении скалывание почвы происходит в плоскостях, следы которых расположены симметрично равнодействующей R (сила нормального давления + сила трения). Угол ω, за пределы которого не выходят следы плоскостей скалывания, составляет 40…50°.

Тогда ширина поперечной зоны деформации:

{ B = b + 2a \tg \frac {\omega}{2}, }

где

b: — ширина захвата лапы.

Условие сплошной обработки. Рыхлительные лапы устанавливают так, чтобы:

Поперечные зоны деформации B перекрывались (отсутствие необработанных гребней);
Зона продольной деформации l₁ заднего ряда лап не касалась стоек лап переднего ряда, иначе возможен контакт с растительными остатками и забивание.

Размещение лап в пропашных культиваторах

В пропашных культиваторах размещение лап подчинено двум основным параметрам:

Ширина междурядья S — зависит от возделываемой культуры и зоны возделывания.
Защитная зона e — расстояние от рядка культуры до края лапы. Её величина определяется развитием корневой системы растений, типом рабочих органов и глубиной обработки.

Расстояние между рядами лап l_р выбирают из условия предотвращения забивания. Оно должно быть больше расстояния L, на которое распространяется деформация почвы по ходу лапы. Обычно l_р = 350…550.

Для выравнивания нагрузки на лапы переднего и заднего рядов во втором ряду устанавливают лапы большей ширины захвата, чем в первом: b₂ > b₁.

Расчёт ширины захвата лап при многорядном размещении

Определения ширины захвата лап в зависимости от числа рядов, ширины междурядья, перекрытия и защитной зоны:

При трёхрядном размещении:

{ b_1 + 2b_2 = S + 2 (\varDelta b − e), }

При двухрядном размещении:

{ b_1 + b_2 = S + \varDelta b − 2e. }

Эти формулы позволяют конструктору подобрать лапы так, чтобы обеспечить заданную защитную зону e и необходимое перекрытие Δb, сохранив при этом требуемую ширину междурядья S.

Ширина захвата культиватора в целом должна соответствовать ширине захвата сеялки, производившей посев. На крайних секциях при обработке стыковых междурядий устанавливают неполный комплект лап (на одну меньше), чтобы избежать повреждения растений в смежных рядках.

Порядок размещения лап разных типов в одном междурядье

Если в одном междурядье одновременно используются стрельчатые лапы и бритвы (односторонние плоскорежущие лапы), то стрельчатые лапы устанавливают впереди бритв. Такое размещение позволяет выровнять поверхность почвы перед бритвами и добиться более равномерной глубины обработки по всей ширине междурядья.

Подкормочные ножи (для внесения удобрений) размещают в первом ряду, а полольные лапы — во втором.

При работе на повышенных скоростях для предотвращения засыпания растений почвой устанавливают защитные диски и щитки.

Чтобы лапа не выглублялась, угол её установки должен быть всегда положительным (лезвие стрельчатых лап должно быть горизонтально, или пятки лезвий подняты относительно носка на 1…1,5 см). Это требование должно выполняться при любой настройке секции.

Установка опорных колёс

Установка колеса перед рамой приводит к неравномерности глубины хода лап, особенно в последнем ряду. В пропашных культиваторах колёса размещают так, чтобы:

Продольные оси симметрии колёс совпадали с осями междурядий;
Расстояние от края обода до оси рядка было не менее 15 см.

Это обеспечивает минимальное повреждение корневой системы культурных растений и стабильную глубину хода рабочих органов.

Способы крепления рабочих органов к раме

Таблица. Сравнительная характеристика систем крепления

Параметр	Жёсткое крепление	Одношарнирное	Параллелограмное
Копирование рельефа	Нет	Продольное	Продольное
Стабильность угла крошения	Абсолютная (нет движений)	Нестабильна	Стабильна
Устойчивость глубины	Низкая	Средняя	Высокая
Громоздкость	Минимальная	Средняя	Наибольшая
Основное применение	Бороны, пружинные культиваторы	Культиваторы сплошной обработки	Пропашные культиваторы, сеялки
Возможность регулировки заглубления	Нет	Пружиной	Весом секции + геометрией

Общая классификация

Соединение рабочих органов с рамой культиватора может быть выполнено двумя принципиально разными способами:

Жёсткое крепление — наиболее характерно для зубовых борон и некоторых типов пружинных лап.
Шарнирное крепление — универсальный способ для культиваторов, обеспечивающий копирование рельефа поля. Шарнирное соединение, в свою очередь, делится на: одношарнирное (индивидуально-поводковое или секционное) и многошарнирное (преимущественно четырёхзвенная параллелограммная система).

Кроме того иногда рассматривают упругое крепление (как разновидность жёсткого для S-образных пружинных лап).

Жёсткое крепление

Конструктивная характеристика. Рабочий орган неподвижно зафиксирован относительно рамы. Отсутствие подвижных соединений делает систему простой, но неспособной копировать неровности рельефа.

Область применения. Зубовые бороны, реже — культиваторы с пружинными лапами.

Особенности и недостатки. При жёстком креплении глубина обработки непостоянна, что для культивации является большим недостатком. Жёсткая стойка передаёт все вертикальные колебания рамы на лапу, вызывая неравномерность хода по глубине.

Пути улучшения. Чтобы уменьшить неравномерность глубины хода пружинных лап при жёстком креплении, их стойкам придают S-образную форму. Такая конструкция работает как упругий шарнир: лапа может отклоняться назад при встрече с препятствием (камнем) и автоматически возвращаться в исходное положение после его преодоления.

Чисто жёсткое крепление для культиваторов сплошной и пропашной обработки сегодня применяется ограниченно. S-образные пружинные лапы — это компромиссное решение, обеспечивающее некоторую эластичность при сохранении простоты конструкции.

Одношарнирное (поводковое) крепление

Схемы крепления рабочих органов к раме:

а — одношарнирное; б — четырехзвенное; 1 — брус рамы; 2 — поводок; 3 — двуплечий рычаг; 4 — нажимная пружина; 5 — штанга; 6 — стойка; 7 — рабочий орган; 8 — колесо рамы; 9, 11 — звенья параллелограммного механизма; 10 — опорное колесо секции

Принцип действия. Стойка 7 с рабочим органом жёстко закреплена в поводке 2, который, в свою очередь, шарнирно соединён с брусом 1 рамы (рис., а). Секция может свободно поворачиваться в продольной вертикальной плоскости относительно шарнира.

Системы одношарнирного крепления:

Индивидуально-поводковая. К каждому поводку крепится один рабочий орган (характерно для культиваторов сплошной обработки).
Секционная. На одном поводке закреплено несколько рабочих органов (применяется в навесных культиваторах, лущильниках).

Заглубление рабочего органа в одношарнирной системе происходит под действием трёх факторов:

Сила тяжести секции G_с;
Вертикальная составляющая R_xz реакции почвы на рабочие органы;
Сила сжатия F_п нажимной пружины 4.

Ограничение глубины осуществляется упорами штанг 5, ребордами, полозками или катками.

Недостаток одношарнирной системы. При копировании рельефа местности угол постановки лезвия лапы к горизонту непостоянен. Это означает, что при наезде на возвышение или впадину секция поворачивается вокруг шарнира, меняя угол крошения α. Если лапа установлена строго горизонтально в статике, при переезде неровности носок может задраться вверх (выглубление) или воткнуться вниз (чрезмерное заглубление).

Способ компенсации. Чтобы лапа не выглублялась, в исходном положении её устанавливают под небольшим положительным углом: пятки лезвий подняты относительно носка на 1…1,5 см. Это даёт запас по углу: даже при некотором поднятии носка лезвие остаётся горизонтальным или сохраняет положительный угол резания.

Минус такого решения: увеличение угла крошения в статике приводит к большему подрезанию и выворачиванию пласта, что способствует иссушению почвы. Это особенно критично для степных районов и зон недостаточного увлажнения.

Четырёхзвенная (параллелограммная) система крепления

Конструкция и кинематика. Данная система является развитием шарнирного принципа и предназначена для устранения главного недостатка одношарнирного крепления — изменения угла установки лапы при копировании рельефа.

Схема механизма (рис., б). Стойка 6 (звено BC) с рабочим органом 7 закреплена на двух поводках 9 и 11 (звенья AB и DC), которые шарнирно соединены с брусом рамы 1 (звено AD). При правильном проектировании звенья образуют параллелограмм: AB∥DC и AD∥BC.

Ключевое свойство. При вертикальных перемещениях опорного колеса 10 (или при копировании рельефа) звено BC (стойка с лапой) перемещается поступательно. Угол наклона стойки (а следовательно, и угол крошения α) остаётся неизменным относительно горизонта.

Преимущества параллелограммной системы:

Стабильность угла установки. Независимость от глубины хода и неровностей поля. Это обеспечивает агротехнически одинаковое качество обработки на всех участках.
Точное выдерживание глубины. Особенно важно для пропашных культиваторов, где даже незначительное отклонение от заданной глубины может повредить корневую систему культурных растений.
Универсальность применения. Используется не только в культиваторах, но и в сеялках (свекловичные, кукурузные), а также в рассадопосадочных машинах.

Поэтому параллелограммное крепление секций наиболее распространено. Это де-факто стандарт для современных пропашных культиваторов.

Недостатки четырёхзвенной системы:

Громоздкость. Четырёхзвенная система занимает больше места и имеет большую массу по сравнению с жёсткой или одношарнирной.
Снижение устойчивости в горизонтальной плоскости. Многошарнирность создаёт дополнительные люфты и степени свободы, что может приводить к «вилянию» секции при работе на высоких скоростях.

Регулировки. В параллелограммной системе предусмотрена возможность изменения длины верхнего звена AB (регулировочной тягой или перестановкой пальца). Это позволяет:

Корректировать начальный угол установки лапы;
Влиять на кинематику заглубления и реакцию на опорном колесе.

Условие заглубления для параллелограммной секции

Силовое условие, при котором происходит надёжное заглубление лап, закреплённых на параллелограммной подвеске:

{ G_e l > Rh, }

где

G_e: — сила тяжести секции лап (вес всех элементов, закреплённых на параллелограмме);
l: — горизонтальная проекция расстояния между передними и задними шарнирами (в рабочем положении);
R: — тяговое сопротивление секции (горизонтальная составляющая);
h: — вертикальное превышение передних шарниров над задними при заглублённом положении секции.

Физический смысл неравенства.

Левая часть (G_el) — это момент, стремящийся заглубить секцию. Сила тяжести G_e, приложенная в центре масс, создаёт вращающий момент относительно передних шарниров. Плечо этого момента — горизонтальное расстояние l от передних шарниров до линии действия силы тяжести.

Правая часть (Rh) — это момент, выглубляющий секцию. Тяговое сопротивление R, приложенное к лапе, создаёт момент, стремящийся поднять секцию вверх. Плечо этого момента — вертикальное расстояние h от линии действия силы R до передних шарниров. Чем выше расположены передние шарниры относительно лапы (то есть чем больше h), тем сильнее выглубляющий эффект.

Для гарантированного заглубления необходимо, чтобы момент от веса секции превышал момент от силы сопротивления.

Увеличивать G_e (утяжелять секцию).
Увеличивать l (удлинять поводки или изменять геометрию подвески).
Уменьшать h (опускать передние шарниры как можно ниже, приближая их к уровню приложения силы R).

Ключевое преимущество параллелограммной системы, вытекающее из формулы: вертикальная устойчивость хода таких секций не зависит от высоты точки прицепа и длины грядиля. Это значит, что условие заглубления определяется только внутренней геометрией секции и её массой. Это позволяет унифицировать секции для разных типов сцепок и тракторов.

Более того, соответствующий подбор G_e и h позволяет добиться заглубления лап без использования нажимных пружин или дополнительного балласта, что упрощает конструкцию и снижает металлоёмкость.

Агротехнические требования

Качество работы культиваторов оценивается по их способности подготовить оптимальное семенное ложе и уничтожить нежелательную растительность.

Качество обработки почвы

Рыхление и комковатость. Верхний слой почвы после прохода машины должен быть мелкокомковатым. Не допускается вынос влажных нижних слоёв почвы на поверхность и распыление структуры почвы. Размер комьев не должен превышать 5 см.

Выравнивание поверхности. Дно борозды и поверхность поля должны быть ровными. Высота гребней взрыхленного слоя не должна превышать 3…4 см. Для достижения этого показателя культивацию часто проводят одновременно с боронованием.

Глубина обработки. Неравномерность глубины хода рабочих органов не должна превышать ±1 см. Глубина борозд после прохода не должна быть более 3 см.

Борьба с сорной растительностью

Уничтожение сорняков. Культиваторы должны обеспечивать полное подрезание сорных растений. Должно уничтожаться 98…99 % сорняков (за исключением защитных зон при междурядной обработке).

Защитные зоны. При междурядной обработке необходимо строго соблюдать ширину защитных зон, чтобы исключить повреждение культурных растений. Число поврежденных растений не должно превышать 5 % (по аналогии с боронованием).

Режимы работы и организация процесса

Направление движения. Сплошную культивацию следует проводить поперек предыдущей обработки (вспашки) или под углом к ней. Каждую последующую обработку выполняют перпендикулярно к предыдущей.

Скоростной режим. Рекомендуемая скорость работы для лучшего выравнивания поверхности и создания условий для последующего посева составляет 9…12 км/ч. С увеличением скорости качество выравнивания поля улучшается.

Дополнительные требования

Перекрытия. При сплошной обработке лапы должны перекрывать друг друга, чтобы не оставалось необработанных полос («огрехов»).

Стабильность. Рабочие органы не должны забиваться почвой и растительными остатками.

Подготовка к работе, настройки, техническое обслуживание и безопасность

Правильная настройка культиватора определяет равномерность глубины обработки и качество уничтожения сорняков. Подготовка проводится на ровной регулировочной площадке.

Порядок настройки на заданную глубину

Алгоритм настройки включает следующие этаги:

1. Размещение на площадке. Культиватор в агрегате с трактором устанавливают на ровную твёрдую поверхность.

2. Использование подкладок. Под опорные колёса культиватора (или под колёса секций у пропашных машин) подкладывают деревянные бруски. Толщина брусков должна быть на 2…4 см меньше заданной глубины обработки, учитывая глубину погружения колёс в мягкую почву.

3. Выравнивание рамы. Раму культиватора переводят в рабочее положение и с помощью центральной тяги и раскосов навески трактора устанавливают строго горизонтально.

4. Опускание лап. Рабочие органы опускают до соприкосновения с поверхностью площадки.

Плоскорежущие и универсальные стрельчатые лапы должны опираться на площадку всей режущей кромкой.
При работе на тяжёлых почвах допускается наклон носка лапы вперед на 2…3°, чтобы улучшить заглубляемость (наклон назад категорически запрещен).

5. Фиксация. Положение лап фиксируют стопорными болтами в держателях или регулировочными винтами на секциях.

Особенности настройки пропашных культиваторов

Настройка пропашных машин (растениепитателей) сложнее, так как требует учёта ширины междурядий и защитных зон:

1. Расстановка секций. Секции рабочих органов расставляют по раме в соответствии с маркерными отметками, соответствующими ширине междурядий (например, 45, 60 или 70 см).

2. Параллелограммный механизм. Необходимо убедиться, что звенья четырехзвенника подвижны и обеспечивают вертикальное перемещение грядиля без перекосов.

3. Регулировка давления. Сжатие нажимных пружин секций должно быть одинаковым по всей ширине захвата, чтобы обеспечить равномерное давление лап на почву.

Техническое обслуживание

Для обеспечения бесперебойной работы необходимо выполнять следующие требования:

1. Контроль лезвий. Режущие кромки лап должны быть острыми. Толщина лезвия не должна превышать 0,3…0,5 мм. Затупившиеся лапы подлежат заточке или замене.

2. Очистка. Регулярно очищать рабочие органы от налипшей почвы и растительных остатков, которые нарушают технологический процесс.

3. Смазка. Смазывать шарниры параллелограммных механизмов и подшипники опорных колёс согласно карте смазки.

Безопасность при работе

Транспортировка. При переездах секции широкозахватных культиваторов должны быть подняты и зафиксированы. У некоторых моделей боковые секции фиксируются под углом 45° или 90° специальными стопорами.

Работа под машиной. Запрещается проводить очистку или регулировку рабочих органов под поднятой рамой, не зафиксированной специальными упорами.

Повороты. При разворотах агрегата рабочие органы должны быть полностью подняты в транспортное положение, чтобы избежать поломки стоек и деформации рамы.

Защитные приспособления. Запрещается работа при отсутствии защитных кожухов на движущихся частях (например, на приводах фрезерных культиваторов).

Теория и расчёты

Основная страница: Теория и расчёты работы культиваторов

Зона деформации почвы при работе культиватора превышает геометрические размеры лапы: рыхление происходит путём скалывания под углом, что приводит к образованию гребней на дне борозды. Высота этих гребней зависит от расстояния между рабочими органами и угла скалывания, что позволяет оптимизировать схему расстановки лап.

Центральная проблема теории — предотвращение наматывания сорняков путём обеспечения скольжения корней вдоль лезвия. Критерием оптимальности выбрано минимальное количество сорняков, единовременно находящихся на лезвии. Решение этой оптимизационной задачи показывает, что оптимальный половинный угол раствора лапы строго зависит от угла трения:

{ \gamma = \frac { 90° - \max(\varphi_{\text{к}}, \varphi_{\text{к}}) }{2}. }

Чем выше трение на липких почвах, тем острее должен быть угол лапы.

Механика процесса разделяет резание, разрыв и выдёргивание корней. Эффективность резания со скольжением объясняется как снижением требуемого напряжения (растяжение и сдвиг вместо смятия), так и увеличением активной длины лезвия. На основе силового анализа выведено условие скольжения и коэффициент скольжения, а также даны практические диапазоны углов раствора для различных типов почв (от 50° для чернозёмов до 80° для песчаных) и рекомендации по заточке в зависимости от угла крошения.

Прореживатели

Прореживатели представляют собой специализированный вид машин, предназначенных для механизированного формирования густоты насаждений пропашных культур (например, сахарной свёклы) путём удаления лишних растений в рядках.

Назначение и принцип действия

Прореживание (букетировка) необходимо для создания оптимальной площади питания растений. Машины работают по принципу периодического или выборочного удаления растений, оставляя группы растений («букеты») на заданном расстоянии друг от друга.

Типы прореживателей

Прореживатели:

а — секция механического прорецивателя; б — схема рабочего процесса автоматического прореживателя; 1 — режущая головка; 2 — ножи; 3 — держатель; 4 — односторонние лапы; 5 — брус-рама; 6 — грядиль; 7 — колёса; 8 — корпус редуктора; 9 — привод ножей (электромагнит включения золотника и гидромотор); 10 — датчик сигналов; 11 — электронный блок; 12 — диск заземлитель

Различают два основных типа прореживателей: ротационные и автоматические.

Ротационные прореживатели. Рабочими органами таких машин являются вращающиеся головки с набором ножей (рис., а).

Принцип работы. При движении агрегата головки вращаются, и ножи последовательно пересекают рядки растений. Длину оставляемых букетов и вырезов регулируют подбором количества ножей на головке и сменой шестерен в редукторе привода.

Настройки. Длину вырезов и букетов выбирают по специальным таблицам после предварительного подсчёта среднего количества растений на 1 метр длины рядка. Глубину хода ножей (обычно 3…4 см) регулируют поворотом корпуса редуктора относительно оси опорного колеса.

Автоматические прореживатели. Это более сложные машины, использующие электронные системы для точного обнаружения растений.

Устройство. Ножи автоматического прореживателя (рис., б) приводятся в движение гидромоторами, которые управляются электромагнитными золотниками. Команда на срабатывание поступает от электронно-вычислительного блока.

Система датчиков. Система использует два типа импульсов: от датчика обнаружения растений и от датчика контроля работы ножей. Электрическая цепь датчика 10 замыкается непосредственно через растение и почву.

Процесс обработки. Когда датчик обнаруживает контрольное растение, передний нож вырезает лишние всходы перед ним, а задний нож рыхлит почву и удаляет растения позади. При контакте датчика со следующим растением на заданном расстоянии ножи движутся в обратном направлении.

Технические характеристики. Комплект сменных ножей обеспечивает формирование букетов длиной 35, 55, 75 и 95 мм, а вырезов — длиной 80, 100, 120…300 мм.

Агротехнические требования к прореживанию

Для качественной работы автоматических прореживателей выдвигаются жесткие требования к состоянию поля:

Чистота посевов. В рядках не должно быть сорняков, соизмеримых по высоте с культурными растениями, иначе датчик будет воспринимать их как объекты для оставления.

Микрорельеф. Поверхность почвы должна быть тщательно выровнена; наличие комочков размером более 2 см не допускается, так как они создают помехи для датчиков.

Энергообеспечение. Машина получает питание от электросистемы трактора и оснащена автономной гидросистемой для работы исполнительных механизмов.

Обзор типовых моделей

Культиваторы для сплошной обработки почвы (паровые и предпосевные)

Культиваторы этого типа предназначены для сплошной обработки почвы без оборачивания пласта: предпосевной подготовки, ухода за парами, уничтожения сорняков и рыхления верхнего слоя. Они агрегатируются с тракторами различных тяговых классов и могут оснащаться как стрельчатыми, так и рыхлительными лапами.

Культиватор КПС-4Г

Назначение. Предпосевная обработка почвы и обработка паров с одновременным боронованием.

Базовая модель. Прицепной культиватор КПС-4Г (и его модификация КПС-4Г-01) – одна из самых массовых машин в своём классе.

Техническая характеристика:

Ширина захвата: 4 м
Глубина обработки: до 12 см
Рабочая скорость: до 12 км/ч
Тяговый класс трактора: 1,4…2 (одиночный агрегат); при использовании сцепок – с тракторами 3…5 классов

Конструктивные особенности:

Сварная рама, сница, опорные колёса с винтовым механизмом регулировки глубины.
Грядили с рабочими органами, приспособление для навески зубовых борон.

Две модификации:

КПС-4Г – универсальные стрельчатые лапы шириной 270 и 330 мм;
КПС-4Г-01 – рыхлительные лапы на дугообразных стойках.

Расстановка рабочих органов:

1. Стрельчатые лапы. Двухрядное шахматное расположение.

Слабозасорённые поля: передний ряд – 270 мм, задний – 330 мм (перекрытие 40…50 мм);
Сильнозасорённые поля: оба ряда – 330 мм.

2. Рыхлительные лапы. Трёхрядное расположение. На коротких грядилях – по одной лапе, на длинных – по две (сдвоенные держатели). Расстояние между бороздками 167 мм.

Регулировки:

Глубина обработки – вращением винта регулятора опорных колёс.
Угол наклона лап – перемещением стойки в держателе. Лёгкие почвы/неглубокая обработка: лезвия параллельны поверхности. Тяжёлые почвы/глубокая обработка: носки наклонены вперёд на 2…3°.
Сжатие пружин на штангах – регулируется упором (увеличивают на засорённых и твёрдых почвах, а также на лапах, идущих вслед за колёсами трактора).

Агрегатирование. Возможна работа нескольких культиваторов в широкозахватные агрегаты через сцепки (СП-11А и др.).

Широкозахватный бессцепочный культиватор КШУ-12

Широкозахватные секционные культиваторы

а — КШУ-12; б — КШП-8; 1, 4 — гидроцилиндры; 2, 18 — стойки; 3 — сница; 5, 12, 20 — колеса; 6, 19 — регуляторы глубины; 7, 17— рамы; 8 — универсальная стрельчатая лапа; 9 — зубовая боронка; 10, 15 — крайние секции; 11, 14 — средние секции; 13 — центральная секция; 16 — выравнивающий брус; 21 — нажимная штанга с пружиной; 22 — S-образный пружинный зуб; 23 — прутковый каток

Назначение. Предпосевная и паровая обработка почвы в крупных хозяйствах. Позволяет перекрывать большие площади за один проход без использования дополнительных сцепок.

Техническая характеристика:

Ширина захвата: 12 м (модификации КШУ-12-01 – 8,2 м; КШУ-12-02 – 6,6 м)
Глубина обработки: 6…12 см
Рабочая скорость: до 12 км/ч
Тяговый класс трактора: 3

Конструктивные особенности:

Складная секционная конструкция: центральная секция (опирается на спаренные колёса), две средних и две крайних секции (собственные колёса).
В рабочем положении все секции располагаются в одной плоскости.
Для транспортировки на дальние расстояния крайние и средние секции гидроцилиндрами поднимаются вертикально.

Комплектация рабочих органов (в различных сочетаниях):

Универсальные стрельчатые лапы (330 мм) – 3 ряда;
Рыхлительные лапы на упругих подвесках;
Пружинная зубовая боронка;
Прутковый каток.

Регулировки:

Общая глубина хода всех лап – винтовым регулятором.
Глубина хода отдельных лап – перестановкой стойки в держателях.

Культиваторы КШП-8 и КПЗ-9,7

Назначение. Предпосевная обработка почвы с рыхлением, выравниванием поверхности и обработка паров.

Конструктивные особенности:

Секционные складывающиеся машины (аналогично КШУ-12).
Рабочие органы. Рыхлительные лапы-зубья на S-образных стойках (4 ряда); выравнивающий брус. Сменные дополнительные органы: прутковые катки (для лёгких почв) или зубовые боронки (для влажных и тяжёлых почв).

Техническая характеристика:

Ширина захвата: 8 м (КШП-8), 9,7 м (КПЗ-9,7)
Глубина обработки: 6…12 см

Комбинированные культиваторы КПК-4, КПК-4-01, КПК-8, КПП-8

Комбинированный прицепной культиватор КПК-4:

1 — стрельчатая лапа; 2 — пружинный зуб; 3 — диск кольчато-планчатого катка; 4, 9 — колеса; 5 — навеска; 6, 10 — гидроцилиндры; 7 — подвеска лапы; 8 — рама

Назначение. Предпосевная обработка почвы и паров с одновременным выполнением нескольких операций: рыхление, подрезание сорняков, дополнительное крошение, выравнивание поверхности, прикатывание.

Конструктивные особенности. Оснащаются трёхкомпонентным рабочим органом:

Стрельчатые (или рыхлительные) лапы;
Пружинная борона (зубья);
Лёгкий каток с кольчато-планчатыми дисками.

Пружинная подвеска рабочих органов обеспечивает:

вибрацию лап в почве (самоочищение);
предохраняет от поломок при встрече с камнями.

Гидроцилиндры переводят рабочие органы в транспортное положение.

Техническая характеристика КПК-4 / КПК-4-01:

Ширина захвата: 4 м
Глубина обработки: 6…15 см
Рабочая скорость: 6…10 км/ч
Тяговый класс: 1,4…2

Техническая характеристика КПК-8 / КПП-8:

Ширина захвата: 8 м
Глубина обработки: 6…15 см (КПП-8: 3…8 см)
Рабочая скорость: 6…10 км/ч
Тяговый класс: 3

Примечание: КПП-8 ориентирован на минимальную обработку (глубина от 3 см).

Культиватор КЛ-2,8

Назначение. Безотвальная обработка зяби весной (альтернатива перепашке), предпосевная обработка, лущение стерни.

Конструктивные особенности — навесной. Рабочие органы – на упругих стойках:

стрельчатые лапы (150 и 270 мм);
рыхлители (65 мм).

Техническая характеристика:

Ширина захвата: 2,8 м
Глубина обработки: 9…23 см (глубокое рыхление!)
Рабочая скорость: 6…7 км/ч
Тяговый класс трактора: 1,4

Пропашные культиваторы (междурядная обработка и подкормка)

Пропашные культиваторы предназначены для междурядной обработки пропашных культур (кукуруза, подсолнечник, свёкла, соя и др.). Их главная особенность – избирательность воздействия: обрабатывается только междурядье, а рядок с культурным растением защищён защитной зоной.

Типовые представители (будут раскрыты при наличии исходных данных):

КРН-4,2 – культиватор-растениепитатель;
КОН-2,8 – культиватор-окучник;
УСМК-5,4 – универсальная секционная машина;
КФ-5,4 – культиватор фрезерный.

Основные технологические операции:

Рыхление почвы в междурядьях;
Подрезание сорняков в защитной зоне (прополочные бритвы);
Окучивание;
Подкормка минеральными удобрениями;
Нарезка поливных борозд.

КРН-4,2, КРН-5,6. Самые распространенные машины для междурядной обработки кукурузы, подсолнечника и других высокостебельных культур с междурядьями 60, 70 и 90 см. КРН-5,6 обрабатывает 8 рядков, обычно используется для пропашных культур (кукурузы). Ширина захвата 5,6 м, рабочая скорость 7-9 км/ч, глубина обработки 6-10 см. Комплектуется набором лап (бритвы, стрельчатые, долотообразные), окучниками и туковысевающими аппаратами для подкормки.

КОН-2,8. Культиватор-окучник навесной. Специализирован для обработки посадок картофеля (междурядья 70 см). Выполняет рыхление, междурядную обработку и окучивание.

КМС-5,4. Применяется для междурядной обработки посевов сахарной свёклы с междурядьями 45 см.

Культиваторы специального назначения

Культиваторы этого класса адаптированы для работы в специфических условиях: сады, ягодники, виноградники, хлопковые поля. Их отличает возможность обработки приствольных полос и зон под кроной, изменяемая ширина захвата, специальные системы автоматического обхода препятствий.

Садовый культиватор КСМ-5

Садовый навесной культиватор КСМ-5:

а — общий вид; б — гидропривод поворотной лапы; 1, 7 — крайние секции; 2 — стрельчатая лапа; 3 — средняя секция; 4 — замок автосцепки; 5 — опорное колесо; 6 — винтовой механизм; 8, 14 — механизмы включения; 9, 13 — поворотные лапы; 10, 12 - механизмы гидроприводов; 11 — пружинные бороны; 15 — рама секции; 16 — пружина; 17 — рычаг; 18 — щуп; 19 — тяга; 20 — кулак; 21 — стойка; 22 — труба; 23 — цепочка; 24 — рычаг золотника; 25 — распределитель; 26 — гидроцилиндр

Назначение. Рыхление почвы, уничтожение сорняков и нарезка поливных борозд в междурядьях и межствольных полосах садов.

Конструктивные особенности:

Складная трёхсекционная рама: средняя секция (3,55 м) и две крайние (по 1 м).
Переменная ширина захвата: 5,55 / 4,55 / 3,55 м (за счёт снятия секций). Это позволяет обрабатывать междурядья шириной 3,5…5 м за один проход и до 10 м – за два прохода.
Навеска на тракторы Т-54В, ДТ-75В, Т-74, МТЗ всех модификаций.

Комплектация рабочих органов:

Стрельчатые лапы (250 мм – передний ряд; 330 мм – задний ряд; перекрытие 40 мм; глубина 8…12 см);
Рыхлительные лапы (до 20 см – только на средней секции при минимальной ширине);
Пружинные зубья бороны (сзади, три секции, регулировка сжатия пружин);
Бороздорезы (4 шт., расстояние 830 мм, для нарезки поливных борозд).

Уникальная особенность – поворотные лапы для обработки межствольных полос. На крайних секциях справа и слева устанавливаются поворотные лапы с пятью зубьями. Принцип работы:

Щуп включателя касается штамба дерева и отклоняется.
Через систему тяг и рычагов перемещается золотник гидрораспределителя.
Гидроцилиндр отводит лапу в сторону междурядья (положение II).
После прохода штамба пружина возвращает лапу в рабочее положение I.
Цепочка фиксирует нейтральное положение золотника при полном возврате.
Глубина обработки поворотными лапами: 6…10 см.

Транспортировка. Боковые секции поднимаются гидравликой под углом 45°.

Производительность. 1,8…3 га/ч, рабочая скорость до 6 км/ч.

Культиватор КСЛ-5

Назначение. Аналогичен КСМ-5, но с дополнительной функцией – внесение минеральных удобрений при нарезке поливных борозд.

Конструктивные отличия:

Боковые секции переводятся в транспортное положение гидроцилиндрами (а не вручную/механически).
Ширина захвата: 5, 4 или 3 м.
Производительность: 1,8…3 га/ч.

Культиватор КМК-2,6

Назначение. Обработка почвы в междурядьях и под кроной ягодных кустарников (смородина, крыжовник, малина) с шириной междурядий 2,5…3 м.

Конструктивные особенности:

Устройство и рабочий процесс аналогичны КСМ-5.
Адаптирован для узких междурядий.

Техническая характеристика:

Ширина захвата: 2,2…2,6 м
Рабочая скорость: до 8 км/ч

Агрегатирование: тракторы для узких междурядий (Т-54В, Т-70С, Т-40АМ).

Прочие специальные культиваторы

Для виноградников и хлопковых полей: лапы с жёсткой стойкой шириной захвата 35…65 мм применяют для обработки почвы на глубину до 25 см в садах, виноградниках и полях под хлопчатник.

КВГ-4 (виноградниковый). Используется для глубокого рыхления междурядий виноградников, нарезания поливных борозд и внесения удобрений. Имеет усиленную раму и рабочие органы (чизельные лапы). Ширина захвата 2,5-4,0 м, рабочая скорость 4-7 км/ч, глубина обработки до 25 см.

КВЛ-2,1. Фрезерный лесной культиватор. Используется на вырубках для подготовки почвы под посадку лесных культур. Рабочие органы — вал с Г-образными ножами, вращающийся активно от вала отбора мощности (ВОМ) трактора.

Чизельные и противоэрозионные машины

КЧ-5,1, КЧП-5,4. Чизельные культиваторы для глубокого рыхления почвы (до 25…30 см) без оборота пласта. Применяются для разрушения «плужной подошвы» и улучшения аэрации почвы.

КПШ-5, КПШ-9. Культиваторы-плоскорезы широкозахватные. Основной рабочий орган — мощные плоскорежущие лапы с шириной захвата до 1,1 м каждая. Эффективны для борьбы с засухой и эрозией в степных зонах.

Литература

Кленин Н. И., Киселев С. Н., Левшин А. Г. Сельскохозяйственные машины. М.: КолосС. 2008. Стр. 89-102.
Листопад Г. Е., Демидов Г. К., Зонов Б. Д. и др. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. М.: Агропромиздат. 1986. Стр. 46-50.
Халанский В. М., Горбачёв И. В. Сельскохозяйственные машины. М.: КолосС. 2004. Стр. 73-81.