Машины и орудия для почвозащитной обработки почвы

Рабочие органы для обработки почв, подверженных ветровой эрозии:

I — лапа плоскореза-культиватора; II — лапа плоскореза-глубокорыхлителя; III — лапа плоскореза-глубокорыхлителя-удобрителя; IV — лапа тяжёлого культиватора; V — лапа со штанговым приспособлением; VI — секция игольчатой бороны; 1 — долото; 2, 16 — стойки; 3, 22, 27 — регулировочный болт с гайками; 4, 18 — упоры; 5, 7 — лемеха; 6 — башмак; 8 — тукопровод; 9 — воздухопровод; 10 — смеситель; 11 — заслонка; 12 — отражатель; 13 — скоба; 14 — ось; 15 — держатель; 17 — лапа; 19, 24, 26 — болты; 20 — кронштейн; 21, 28 — пружины; 23 — штанговое приспособление; 29 — игольчатый диск.

Замена обычной отвальной вспашки системой безотвальной обработки почвы, при которой на поверхности поля сохраняется максимальное количество стерни, оставшейся после зерновых культур, является наиболее эффективным и общепризнанным способом борьбы с ветровой эрозией почвы. Для безотвальной обработки почвы с сохранением стерни созданы специальные рабочие органы (рис.).

Принципиальные схемы культиватора-плоскореза и тяжёлого противоэрозионного культиватора:

I — культиватора-плоскореза; II — тяжёлого противоэрозионного культиватора; 1, 6 — самоустанавливающиеся колёса; 2 — гидроцилиндры; 3 — неповоротные колёса; 4 — подвеска; 5, 8, 9 — секции; 7 — рабочие органы; 10 — коленчатая ось; 11 — прицеп; 12 — рама.

В степных районах в основном применяются широкозахватные бессцепочные культиваторы-плоскорезы (рис., I). В основе таких плоскорезов полунавесной модификации лежит шарнирная рама, состоящая из трёх секций: средней 5 и двух боковых 8 и 9. Шарнирное соединение позволяет секциям рамы подстраиваться под рельеф поля.

Рабочие органы расположены симметрично относительно продольной оси (центральной линии). Первая лапа наиболее нагружена, так как работает в условиях блокированного резания. Каждая последующая лапа смещена относительно предыдущей назад и в сторону и работает в условиях полублокированного резания. Перекрытие Δb = 70-90 мм, расстояние I между лапами в продольном направлении определяется из условия предотвращения их забивания растительными остатками и с учётом зоны деформации почвы.

Средняя секция опирается на два колеса 3 с пневматическими шинами и винтовыми механизмами для регулирования глубины обработки. Секции 8, 9 шарнирно соединены одним концом с секцией 5 и опираются на самоустанавливающиеся (флюгерные) колёса 1 и 6, оснащенные гидроцилиндрами 2 и с механизмом регулирования глубины обработки. В транспортном положении боковые секции заводят за среднюю.

Принципиальные схемы плоскореза-глубокорыхлителя и культиватора-плоскореза аналогичны. Технологические процессы, выполняемые этими орудиями, различаются в основном глубиной обработки почвы.

Тяжелые противоэрозионные культиваторы, в зависимости от тягового класса трактора, могут быть одно- и трёхсекционными. Для предотвращения засорения лапы в односекционном культиваторе (рис. выше, II) размещают в три ряда с расстоянием l = 800 мм между ними. Наиболее полное подрезание сорняков обеспечивается перекрытием Δb = 60 мм. Коленчатая ось 10 и рама 12 соединены с гидроцилиндрами 2, предназначенными для регулирования глубины хода рабочих органов и их подъёма на поворотных полосах. Для предотвращения укоренения срезанных лапами корневищ сорняков на влажных почвах культиватор может быть оборудован штанговым приспособлением, состоящим из штанги сечением 25 х 25 мм, грядилей и приводного устройства в виде двух игольчатых дисков и цепной передачи.

Схемы образования плужной подошвы в результате многократной обработки почвы плугом на одинаковую глубину и её разрушения чизельным плугом:

a — плужной подошвы в результате многократной обработки почвы плугом на одинаковую глубину; b — разрушения подошвы при обработке почвы чизельным плугом; I — расположение корней растений и направление движения влаги до разрушения плужной подошвы; II — то же после разрушения; 1, 3 — соответственно верхний и подпахотный слои; 2 — плужная подошва.

Основными требованиями к обработке почв, подверженных как ветровой, так и водной эрозии, являются: сохранение стерни предшествующей культуры (для предотвращения ветровой эрозии), повышение водопоглощающей способности почвы (для устранения стока воды по склону, а следовательно, водной эрозии). Таким требованиям лучше всего отвечают орудия с чизельными, щелерезными и другими рыхлительными рабочими органами. После обработки чизельным плугом на поверхности почвы остаётся 60-75% растительных остатков, что предотвращает ветровую эрозию, а за счёт глубокого рыхления почвы и перемешивания остальных пожнивных остатков с её поверхностным слоем её водопоглотительная способность увеличивается в 1,5-3 раза, что предотвращает водную эрозию. Этому способствует и гребнистое дно борозды, образующееся после рыхления почвы чизельным плугом, так как гребни препятствуют внутрипочвенному стоку воды в зоне, прилегающей к дну борозды.

Чизельный плуг можно использовать и в традиционных системах земледелия, то есть на почвах, не подверженных эрозии. В этих условиях он отвечает принципам минимальной обработки почвы, разрыхляет подпочвенный слой и разрушает плужную подошву.

В уплотнённой почве выделяют три слоя (рис. A и B): верхний 1 (пахотный горизонт), плужную подошву 2 (ниже лезвий рабочих органов) и подпахотный 3 (ниже плужной подошвы). Верхний слой разуплотняется в процессе обработки почвы, а плужная подошва и подпахотный слой с годами уплотняется сильнее. Толщина плужной подошвы составляет 12-17 см и зависит от конструкции рабочих органов, веса орудия, количества обработок на одну и ту же глубину, влажности и механического состава почвы. Начало её можно определить по расположению корней растений: в начале плужного пласта они располагаются под прямым углом к вертикали (рис., I). При плотности подпахотного слоя почв среднего и тяжёлого механического состава 1,6-1,7 г/см³ развитие корней растений в них затруднено или невозможно.

Характеристики процесса деформации почвы лапой чизельного плуга:

A — профиль поперечного сечения обработанной почвы; B — зависимость бокового скалывания почвы от глубины обработки; C — схема рыхления почвы при a < h_k; D — то же при a > h_k.

Чизельные плуги, щелерезы и почвоуглубители обрабатывают плотный подпахотный горизонт. Различные свойства обрабатываемого материала определяют некоторые особенности технологического процесса, который основан на резании клином с плоской рабочей поверхностью, сводящееся к разрушению почвенного пласта путём сдвига (скалывания) на куски (стружку) трапецеидальной формы. При этом распространение деформации почвы в стороны, то есть в поперечно-вертикальной плоскости, ограничивается предельной глубиной обработки почвы, называемой критической. Дальнейшее углубление рабочего органа сопровождается его смятием в продольном направлении без увеличения зоны рыхления в поперечном направлении (рис. ниже, A и B).

Таким образом, возможны два режима работы лапы чизельного плуга: при a < h_k и a > h_k, где h_k — критическая глубина обработки почвы. В первом случае глубина h щели, с которой начинается боковое расширение зон деформации почвы, несколько меньше глубины a обработки (рис., C), так как скалывание почвы под углом ψ начинается несколько выше лезвия. Однако в этом случае с достаточной для практических целей точностью можно считать, что h = a. Во втором случае, то есть при a > h_k, зона бокового рыхления пласта распространяется до величины hk (рис., D), под ней образуется зазор глубиной:

где h₀,- глубина блокированного резания без отделения почвенной стружки с боковых сторон лапы.

В этой зоне, то есть за пределами глубины h_k, в нижней части рабочей поверхности лапы образуется уплотненное ядро толщиной e (рис., D). Его образование связано с высоким давлением в зоне блокированного резания, под действием которого почва сминается, сильно уплотняется и задерживается на рабочей поверхности лапы в зоне h₀ = a — h_k. В одних условиях она становится настолько прочной, что дальнейшее резание почвы производится ею, а не рабочей поверхностью, в других — периодически разрушается и возобновляется.

Угол ψ скалывания почвы можно определить по формуле В. П. Горячкина,

где α — угол крошения; φ₁ — угол трения почвы по материалу лапы, φ₂ — угол внутреннего трения почвы.

Схема распространения деформации почвы при работе рыхлительной лапы в продольном (A) и поперечном (B) направлениях.

Ширина полосы деформированного грунта в поперечном сечении пласта при a > h_k зависит не от значений a, а от h_k (рис. ниже):

Зона распространения деформации почвы (L) в продольном направлении (по ходу движения) зависит от величины a, а также от углов α и φ и определяется по формуле:

где l₀ — длина лезвия.

Ширина полосы деформированного грунта на его поверхности на расстоянии l от его носка:

но так как

где δ ≈ θ/2 — угол, характеризующий область деформации почвы в плоскости скалывания.

Из выражения (5) следует, что с увеличением углов α и φ ширина полосы деформированного грунта увеличивается. Она также увеличивается с ростом значений h_k и δ ≈ θ₂ ≈ 2φ₂. Глубина h_k, в свою очередь, зависит от перечисленных параметров, но в большей степени — от величины b₀. При глубокой обработке почвы (a > 38 см) и b₀ ≥ 50 мм значение h_k = h_{k max} = const, то есть достигает максимума и остаётся постоянным с увеличением b₀. При b₀ < 50 мм с уменьшением b₀ глубина h_k резко уменьшается. Поэтому для увеличения значения h_k и расширения за счёт этого ширины b_n полосы деформированной почвы при глубокой обработке, ширина захвата лапы должна быть не менее 50 мм (b₀ ≥ 50 мм). Это означает, что рыхление почвы чизельным плугом целесообразно проводить при a ≈ h_k.

Схемы глубокорыхлителя (A), разуплотнителя (B) и рабочих органов для обработки почв, подверженных водной и ветровой эрозии:

C — лапы чизельного плуга, D, E — лапы щелереза; F — безотвальный плужный корпус; I — сменные рабочие органы чизельного культиватора; 1, 5, 19 — стойки; 2 — обтекатель; 3, 11 — долото; 4 — ось со штифтом; 6 — нож-лемех; 7 — полевая доска; 8 — рыхлительная пластина; 9 — лемех; 10 — накладка; 12 — щиток; 13 — уширитель; 14, 17, 18 — наральники; 15 — стрельчатая полольная лапа; 16 — стрельчатый рыхлитель.

Рабочий орган чизельного плуга (рис., A) рыхлительная лапа (рис., C) состоит из стойки 1, обтекателя 2, долота 3 и оси со штифтом 4. Обтекатель, приваренный к стойке, предохраняет её от износа и уменьшает сопротивление движению в почве. Благодаря серповидному контуру обтекателя и стойки лапа легко заглубляется и хорошо очищается от растительных остатков. На стойку вместо долота шириной захвата 70 мм можно установить стрельчатую лапу шириной захвата 270 мм.

При глубине обработки до 30 см используются стрельчатые лапы, а при рыхлении на глубину до 45 см — долота. Стрельчатые лапы интенсивней рыхлят почву и одновременно подрезают сорняки. Однако не рекомендуется использовать их для обработки почвы глубже 30 см, так как увеличиваются затраты энергии и снижается производительность. Стойка крепится к раме двумя болтами, один из которых является срезным и служит для защиты от поломки в случае кратковременной перегрузки.

Более совершенными являются рыхлительные рабочие органы со стойками, наклонёнными в поперечно-вертикальной плоскости под углом около 45°. Ширина долота 67 мм, угол заточки 25°, угол установки к дну борозды 16°, угол наклона стойки в продольно-вертикальной плоскости к дну борозды 72°. Регулируемая рыхлительная пластина 8 оснащён шестигранным эксцентриковым устройством, который позволяет устанавливать его в четырёх положениях под углом от 5 до 15° относительно плоскости стойки. Рабочий орган крепится к раме с помощью двух уголков, накладной пластиной и болтами, один из которых является срезным. Перед стойкой устанавливается дисковый нож диаметром 430 или 520 мм.

Во время работы долото сминает почву, а слой почвы, двигаясь по рабочим поверхностям стойки и рыхлительной пластины, поднимается и изгибается как в продольном, так и в поперечном направлениях. В результате изгиба в двух плоскостях возникают разносимметричные напряжения (растяжения и сжатия). Растягивающие напряжения, достигнув предела прочности, вызывают появление трещин, возникающих по линиям наименьших связей между концентраторами напряжений порами, корнями растений, трещинами, содержащимися в обрабатываемой почве. Когда пласт под действием силы тяжести сходит с рыхлительной пластины, он ударяется о дно борозды и ещё больше разрыхляется. Степень рыхления почвы зависит от междуследия рабочих органов, установки рыхлительной пластины и скорости работы.

Дисковый нож, расположенный перед каждым рабочим органом, перерезает растительные и пожнивные остатки и образует наклонную щель, по которой движется стойка рабочего органа. Благодаря дисковому ножу рабочий орган не забивается растительными остатками, уменьшается травмирование корней, предотвращается разрыв дернины (при обработке лугов и пастбищ), уменьшаются вынос почвы на поверхность и деформация поверхности поля. При этом происходит полублокированное резание, что приводит к концентрации напряжений внутри ограниченного объёма, энергия не рассеивается в общем объёме почвы, как это наблюдается при воздействии рабочих органов с вертикальными стойками.

В результате удельный расход энергии снижается на 15-30%, повышается степень и равномерность крошения почвы, уменьшается деформация поверхности почвы, повреждение растительных и пожнивных остатков, снижается гребнистость дна борозды. На поверхности поля остаётся до 90% растительных остатков. За счёт разрушения водонепроницаемого слоя (плужной подошвы) и образования многочисленных трещин и разломов сток воды уменьшается на 85-90% по сравнению с отвальной вспашкой, создаются условия для предотвращения ветровой и водной эрозии почвы.

Основными рабочими органами рыхлителя для обработки солонцовых почв являются рыхляще-подрезающие (рис., D) и рыхлительные (рис., E) лапы. Их работа разрушает монолитный солонцовый слой, который частично перемешивается с подсолонцовым слоем. Почвенные комки верхнего (гумусового) слоя попадают в трещины и щели, препятствуя смыканию солонцового слоя и превращая его в моназит. Это обеспечивает проникновение влаги и корней растений между столбцами солонцов, происходит постепенное окультуривание слоя.

Безотвальный плужный корпус (рис., F) хорошо рыхлит почву без оборота пласта. Пласт, подрезанный и частично раскрошенный лемехом 9, поднимается по уширителю 13 на некоторую высоту, а затем падает на дно борозды и дополнительно измельчается от удара. Для защиты от истирания стойка корпуса закрыта щитком 12. При этом экономится почвенная влага, стерня в значительной степени сохраняется на поверхности поля, происходит мульчирование поверхностного слоя пожнивными остатками. Аналогичные функции могут выполнять так называемые стойки СибИМЭ.

Одним из эффективных приёмов разрушения плужной подошвы, образованной плугами и плоскорезами, является улучшение влагопоглощающих свойств почвы и сохранение стерни на поверхности поля путём щелевания. Рабочий орган щелереза имеет отверстия для ступенчатого (через 5 см) регулирования глубины щелевания. Глубина щелей обычно составляет 40±5 см. Щелевание проводят на лугах, посевах многолетних трав, а также по зяблевой вспашке.

Чизельные культиваторы являются переходными орудиями от чизельных плугов к обычным традиционным культиваторам. Они могут использоваться для дополнительной и основной обработки эрозионно-опасных и неэрозионно-опасных почв. Рабочие органы тяжёлых чизельных культиваторов крепятся, как правило, на упругих стойках 17 (рис., I). За счёт колебания таких стоек повышается качество крошения, уменьшается тяговое сопротивление и предотвращается забивание рабочих органов растительными остатками и почвой. Стойки предохраняют рабочие органы от повреждений при наезде на препятствия. Долотообразные и узкорыхлительные наральники рыхлят почву и дно борозды, производят частичное мульчирование, создавая волнистую поверхность и гребни, способствующие поглощению воды.

Стрельчатый рыхлитель 16 обрабатывает почву более интенсивно, особенно при низкой влажности. Стрельчатая полольная лапа 15 хорошо работает на небольшой глубине, она подрезает сорняки и частично перемешивает их с почвой. Наральник 18 с винтовой рабочей поверхностью может быть право- или левооборачивающим. Он хорошо рыхлит почву и заделывает солому и другие растительные остатки, создавая мульчирующий слой, который предотвращает водную и ветровую эрозию.

Основные виды рыхления (резания) почвы:

A — блокированное; B — полусвободное; C — свободное.

Винтовые (геликоидальные) наральники (твистеры) широко распространены на машинах для почвозащитных технологий, выпускаемых американскими и канадскими фирмами. В зависимости от взаимного расположения рабочих органов на раме они могут работать в условиях блокированного (рис. ниже, A), полусвободного (рис. ниже, B) или свободного (рис. ниже, C, средняя лапа) резания. При этом тяговое сопротивление рабочего органа и степень крошения почвы прямо пропорциональны площади скалывания почвы в вертикальной и боковой плоскостях.

Согласно рисунку площадь скалывания в поперечно-вертикальной плоскости:

при блокированном резании:

при полусвободном резании:

при свободном резании:

где

Высота гребней

где Μ — ширина междуследия рабочих органов.

Почвообрабатывающие орудия с рыхлительными (чизельными) рабочими органами делятся на чизельные плуги и щелеватели, которые различаются по величине М (рис. ниже).

Схемы поперечных сечений почвы при её обработке чизельными лапами, установленными на чизельном плуге (A) и щелевателе (B).

При установке рабочих органов на раме чизельного плуга или культиватора, согласно агротехническим требованиям, должно выполняться следующее условие:

В этом случае зоны деформации почвы, распространяющиеся с боковых сторон в процессе рыхления пересекаются в обрабатываемом слое, в результате чего в верхнем слое до некоторой глубины h_c, (рис., А) происходит сплошное рыхление по всей ширине захвата; ниже, в слое толщиной h_r, рыхление с образованием гребешков; ниже, в слое толщиной h₀, образование щелей (без отделения стружки).

При размещении рабочих органов на раме щелевателя (рис., B) должно соблюдаться условие:

то есть высота гребней h_r, за счёт увеличения ширины междуследия достигает поверхности поля.

Рабочие органы щелевателя работают в условиях блокированного резания, чизельных орудий в условиях полусвободного и свободного резания. Энергоемкость технологического процесса чизельной лапы при свободном, полусвободном и блокированном резании относятся как 50, 70 и 100%.

Чизельные орудия делятся на чизельные плуги и чизельные культиваторы. По агротехническим требованиям чизельные плуги с рыхлительными лапами должны обрабатывать почву на глубину до 45 см, со стрельчатыми — до 35 см, а чизельные культиваторы — до 25 см. Ширина междуследия чизельного плуга может варьироваться от 40 до 50 см, чизельного культиватора — от 20 до 25 см.

Рабочие органы должны быть расположены так, чтобы исключить заклинивание почвы между соседними рабочими органами и забивание их растительными остатками, что обеспечит высокую надёжность и качество их работы; количество рабочих органов, работающих в сплошной среде (в условиях блокированного резания), должно быть как можно меньше, чтобы обеспечить минимальные затраты энергии на технологический процесс.

Зоны деформации почвы и расстановка рабочих органов на чизельном плуге с отвально-рыхлительными лапами:

B и B_к — ширина по оси симметрии рабочих органов и захвата.

При размещении рабочих органов на раме орудия в два и более ряда в шахматном порядке (рис.) необходимо, чтобы зона деформации почвы под воздействием лап последующего ряда не достигала стоек предыдущего ряда, то есть выполнялось условие вылета L ≥ l0 + l, где значение I может быть определено из выражения

Уменьшение вылета L может привести к заклиниванию почвы между лапами, а увеличение — к неоправданному удлинению конструкции.

Зоны деформации почвы и расстановка рабочих органов на культиваторе с отвально-рыхлительными лапами.

При малом расстоянии l между стоиками лап в каждом ряду орудие будет забиваться растительными остатками, особенно при работе на стерневых фонах. Значение М уменьшается, что при глубокой обработке почвы приводит к заклиниванию почвы между соседними лапами.

При расстановке лап чизельного культиватора учитывают не только деформацию почвы лапами, но и степень перемешивания почвы с растительными остатками и удобрениями, внесенными на поверхность почвы перед обработкой отвальными лапами. В качестве показателя интенсивности перемешивания можно использовать отношение ширины захвата лапы b к глубине захвата a:

При k > 0,5 интенсивность перемешивания достигает 100%. Поскольку в соответствии с агротехническими требованиями максимальная глубина обработки отвально-рыхлительными лапами составляет 15 см, то b > 7,5 см. Для полной заделки мелиорантов необходимо, чтобы ширина A_n полосы перемешивания почвы на поверхности была больше ширины междуследия рабочих органов, то есть A_n > M (рис.).

При этом образуется нахлест C_n = A_n — M. Если A_n < M, то возникает необработанная полоса с незаделанными мелиорантами.

Варианты схем размещения рабочих органов на рамах чизельных орудий:

A — двухрядная; B — стреловидная; C, D — комбинированные; 1 — рабочий орган; 2 — опорное колесо.

При двухрядном (рис., A) расположении рабочих органов расстояние между стойками в каждом ряду удваивается и при малой ширине междуследия не происходит забивания почвой и растительными остатками. Однако все рабочие органы первого ряда, составляющие половину их общего количества, работают в сплошной среде (режим блокированного резания), что приводит к значительному увеличению тягового сопротивления орудия.

Существенным преимуществом стреловидной схемы штанги (рис. выше, B) является то, что все рабочие органы, кроме среднего, работают в режиме полусвободного резания. Однако с увеличением ширины захвата увеличивается длина орудия и центр тяжести его смещается в сторону от трактора. Поэтому современные отечественные серийные плуги изготавливаются по комбинированной схеме (рис. выше, C и D), которая не теряет преимуществ стреловидной, но позволяет уменьшить длину орудия и приблизить его центр тяжести к трактору.