Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

                                                                       На правах рукописи

МАМБЕТАЛИН Кахим Токушевич

МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

  Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Новосибирск - 2011

Работа выполнена на кафедре Почвообрабатывающие и посевные машины Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Челябинская государственная агроинженерная академия

Научный консультант Ц  доктор технических наук 

       Нестяк Вячеслав Степанович

       (ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии)

                                     

Официальные оппоненты: н доктор технических наук, профессор

Докин Борис Дмитриевич

(ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии)

  доктор технических наук, профессор

  Ковтунов Виктор Евгеньевич

  (ФГОУ ВПО ОмГАУ)

                                      доктор технических наук, профессор

                                                 Набиев Тухтамурод Сахобович

(ФГОУ ВПО БГАУ)

Ведущая организация - Государственное научное учреждение

  Всероссийский научно-исследовательский 

  институт механизации сельского хозяйства

  (ГНУ ВИМ Россельхозакадемии)

                                       

Защита состоится л  15  декабря 2011 года в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 006.059.01 при Государственном научном учреждении Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета по адресу 630501, Новосибирская область, Новосибирский район, р.п. Краснообск Ц1, а/я 460 ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии;

телефон, факс (383) 348-12-09;

e-mail: sibime@ngs.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СибИМЭ

Автореферат  размещен на сайте ВАК Минобрнауки России referat_vak@obrnadzor.gov.ru  14 сентября 2011г., на сайте ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии www.sibime-rashn.ru - 14 ноября 2011 г. и разослан 14 ноября 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета                                В.С. Нестяк 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.  В технологии возделывания сельскохозяйственных культур особое место по энергоемкости (до 25%) занимает обработка почвы. Она же определяет и энергоемкость всей технологии возделываемой культуры, а в совокупности с другими факторами является одной из причин целого ряда негативных последствий механизации (снижения урожайности полей, повышенной плотности почв, усиления эрозионных процессов и т.д.) и возникновения проблемы почвосбережения. 

Обработка почвы выполняется различными рабочими органами, а в основе существующих способов основной и поверхностной обработки почвы и рабочих органов для их реализации лежит механическое воздействие на почву сжатием.

К настоящему времени накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал по обработке почвы, однако качественных изменений в принципе воздействия на почву и в конструкциях рабочих органов для их реализации не происходит. Хотя еще основоположник земледельческой механики академик В.П. Горячкин говорил о необходимости иных методов и приемов воздействия на почву для снижения энергоемкости ее обработки и сохранения плодородия почвы.

Причиной сложившегося положения является то, что земледельческой механике присущ упрощенный подход к почве: при рассмотрении почвы как объекта технологического воздействия изучение и учет структуры, состава, свойств и других характеристик почвы проводится на уровне почвенных частиц размером 10-1 Е10-2 см, что для ее развития явно недостаточно. На этом уровне даже такие легко обнаруживаемые механические свойства, как внутреннее трение, вязкость, пластичность, проявляются не в полной мере, так как они формируются составом почвы, в том числе и коллоидным.

Следовательно, изыскание новых способов и приемов воздействия на почву с учетом многообразия её свойств, потенциально содержащих возможные направления снижения затрат энергии на обработку, и разработка на этой основе менее энергоемких процессов и технических средств основной и поверхностной обработки почвы, сохраняющих её плодородие,  является актуальной научной проблемой.

Цель исследования - снижение энергетических затрат на обработку почвы при сохранении её плодородия за счет научно обоснованной минимизации обработок и применения нетрадиционных видов деформации и приемов воздействия на обрабатываемый пласт почвы.

Объект исследования - динамические процессы, формирующие почвенную структуру в естественных природных условиях; технологические процессы поверхностной и основной обработки почвы и реализующих их технических средств.

Предмет исследования - закономерности техногенного воздействия на почву, определяющие возможности снижения энергетических затрат на её обработку, сохранение структуры и плодородия.

Методы исследования. Общей методологической основой исследований явились методы и приемы диалектического познания изучаемой проблемы: анализ и синтез, моделирование, эксперимент, гипотеза, наблюдение, индукция и дедукция.

Теоретические исследования выполнены на базе методологических положений классической механики, механики твердого тела, квантовой механики, кинетической теории и других отраслей науки.

Экспериментальные исследования и обработка полученных данных выполнены с использованием методов планирования экспериментов, математической статистики и пакета прикладных программ на ПЭВМ.

Сущность научной проблемы заключается в отсутствии теоретической основы техногенного воздействия на почву как сложную  систему материальных частиц с учетом позиций механики тел, квантовой механики, кинетической теории и других отраслей науки, выявления на этой основе возможностей снижения энергетических затрат на обработку почвы, разработки и обоснования новых технико-технологических решений для их реализации.

Научная гипотеза. Поскольку почва является материальным телом, к ней кроме сжатия и сдвига, требующих больших энергетических затрат при разрушении (крошении), применимы и другие виды деформации. В почве происходят естественные физико-механические процессы, восстанавливающие ее структуру, за счет чего ей присуще рыхлое состояние. Предполагается за счет выявления и теоретического обоснования механизма саморазрыхления почвы определить возможные пути снижения техногенного воздействия на почву, что в итоге обеспечит снижение энергоемкости ее обработки.

Исследования выполнены в соответствии с межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001Е2005 гг. Научные основы формирования и функционирования эффективного агропромышленного производства по направлению 02.01. Разработать новое поколение экологически безопасных ресурсосберегающих машинных технологий и создать комплекс конкурентоспособных технических средств для устойчивого производства приоритетных групп сельскохозяйственной продукции для растениеводства.

Научную новизну представляет совокупность положений, определяющих механико-технологические основы снижения энергоемкости обработки почвы:

Ц положения о почве как объекте технологического воздействия применительно к земледельческой механике: гипотеза о наличии в составе почвы  четвертой, плазменной фазы - фазы почвенного раствора; положение о свободной и связанной воде как форме существования почвенной воды; положение о наличии в почвенном слое фононного газа, осуществляющего перенос тепла и влаги; механизм саморазрыхления почвы;

- положения о характере процессов, обеспечивающих возможности разработки новых принципов и технических средств технологического воздействия на почву: реологическая модель почвы; расчеты тепловой энергии в почвенных слоях; положение о структурной вязкости почвы; величина энергии крошения почвы; удельная поверхность почвенных частиц как агротехнический показатель ее структуры; уравнение тягового сопротивления рабочего органа;

- теоретическое обоснование применения нетрадиционных принципов воздействия на почву: растяжения, вибрации; обработки почвы без механического воздействия на нее рабочими органами (интенсификация процессов разрыхления почвы за счет перевода связанной воды в категорию свободной воды и т.п.); переменной или комбинированной форм и геометрий поверхностей рабочих органов;

- уровень технологического воздействия на почву при подготовке к возделыванию зерновых культур в степной зоне;

- конструктивно-технологические схемы и параметры рабочих органов для поверхностной и основной обработки почвы на принципах растяжения и вибрации.

Новизна технических и технологических решений защищена двумя патентами на изобретения.

Практическая значимость. Результаты выполненных исследований могут служить практической базой для разработки новых принципов и технических средств обработки почвы в земледельческой механике. Обосновано возделывание зерновых культур по технологии прямого посева в условиях степной зоны, что позволяет снизить топливно-энергетические затраты на 29Е38% по сравнению с традиционной технологией, повысить урожайность зерновых на 3Е4 ц/га и снизить расход топлива на 4Е5 кг/га. Разработаны рабочие органы для поверхностной обработки почвы, снижающие энергетические затраты на 16%  по сравнению с серийными культиваторными лапами, и комбинированный рабочий орган для основной обработки почвы, обеспечивающий снижение энергетических затрат на 15% по сравнению с плугом.

Реализация результатов исследования. Материалы исследований, представленные в виде рекомендаций производству, одобрены научно-техническим советом Комитета сельхозмашиностроения Уральского региона. Рекомендации по возделыванию зерновых культур приняты к внедрению Министерством сельского хозяйства Челябинской области РФ и Департаментом сельского хозяйства Акмолинской области Республики Казахстан и используются в хозяйствах Брединского и Варненского районов Челябинской области, в хозяйствах Северного Казахстана. При проведении прямых посевов по этим рекомендациям только на весенних работах расход топлива снизился на 4Е5 кг/га, а урожайность повысилась на 2Е4 ц/га по сравнению с традиционными посевами. Комбинированный рабочий орган апробирован на вспашке поля в фермерском хозяйстве Салават Юлаев, его применение снизило расход топлива на 2Е2,5 кг/га по сравнению со вспашкой плугом. Расчеты по определению параметров пружинной стойки культиваторной лапы приняты к применению в ЗАО ИПП Техартком.  Результаты исследований использованы при разработке комбинированного почвообрабатывающего посевного агрегата ППАБМ - 14,7. Материалы исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО Челябинская государственная агроинженерная академия.

На защиту выносятся:

Ц процесс саморазрыхления почвы и его механизм как совокупный результат проявления сил межмолекулярного взаимодействия почвенных частиц, взаимодействия составляющих почву фаз, воздействия почвенной биоты и окружающей среды, позволяющие сокращать количество технологических воздействий на почву;

Ц положение о наличии в почвенном слое фононного газа, осуществляющего перенос тепла и влаги, обладающего энергией, энтропией;

Ц гипотеза о наличии в составе почвы  четвертой, плазменной фазы - фазы почвенного раствора;

- удельная поверхность почвенных частиц как агротехнический показатель ее структуры;

Ц теоретическое обоснование применения энергетической теории разрушения почвы, величина энергии крошения почвы;

- реологическая модель почвы;

- положение о структурной вязкости почвы;

- уравнение тягового сопротивления рабочего органа;

- теоретическое обоснование применения нетрадиционных принципов воздействия на почву: растяжения, вибрации; обработки почвы без механического воздействия на нее рабочими органами; переменной или комбинированной форм и геометрий поверхностей рабочих органов;

- уровень технологического воздействия на почву при подготовке к возделыванию зерновых культур в степной зоне;

- конструктивно-технологические схемы и параметры рабочих органов для поверхностной и основной обработки почвы.

Апробация результатов исследования. Материалы исследований обсуждены и одобрены на международных научно-практических конференциях Челябинского ГАУ (1996-2006 гг.), ГНУ СибИМЭ (2011г.), на научно-производственном совете департамента сельского хозяйства Акмолинской области и ТОО СТ Агро Республики Казахстан (2006, 2007 гг.), на расширенном ученом совете кафедры Сельскохозяйственные машины Башкирского ГАУ (2009 г.).

Публикация. По материалам исследований опубликовано 24 научные работы, получено два патента на изобретения. Общий объем публикаций составляет 22,3 п.л., из них авторских - 22,0 п.л.

Структура и объем работы.  Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 223 наименований и приложений. Работа изложена на 328 страницах основного текста, включает в себя 65 таблиц, 98 рисунков и 31 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность проблемы, показана связь исследований с государственной программой научного обеспечения агропромышленного комплекса; сформулирована цель исследования, определены объект, предмет и методы исследования, научная и практическая ценность исследования; приведены положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Состояние проблемы и задачи исследования

Виды технологий возделывания сельскохозяйственных (зерновых) культур в основном определяются производимыми в них обработками почвы в ходе подготовки полей к посеву семян. Так, различают традиционную технологию обработки почвы, минимальную и нулевую обработки почвы.

В традиционной технологии производится множество технологических воздействий на почву (ранневесеннее боронование, предпосевные культивации и т.д.) и затем посев. Основной целью является приведение поверхностного слоя почвы в рыхлое состояние.

Минимальная технология выполняется совмещением технологических операций предпосевной подготовки почвы и посева.

Нулевая технология - прямой посев семян в необработанную почву специальными сеялками. Эта технология является самым эффективным по энергозатратам способом возделывания полевых культур.

Выбор технологии возделывания сельскохозяйственных культур должен производиться с учетом конкретных почвенно-климатических условий зоны возделывания, состояния почвенной структуры и воздействия технологии на почву. 

Сравнительный анализ воздействий на почву традиционной технологии возделывания сельскохозяйственных культур с многократными проходами МТА по полю и минимальных технологий показал, что минимальные технологии являются почво-, влаго- и энергосберегающими технологиями. В условиях степных зон рискованного земледелия это имеет огромное значение.

Почвы в зоне имеют пылеватую структуру. При возделывании культур по традиционной технологии плотность почв повышается до 1,42Е1,44 г/см3, а пористость уменьшается на 9Е12%; ветровая эрозия становится более интенсивной, увеличивается доля эрозионно опасных почв. 

Исследованиями Э.Ю. Нугиса, А.А. Конева, Г.Г. Черепанова и др. установлено, что при возделывании культур по минимальным технологиям почва приобретает оптимальное сложение, сохраняется влага, повышается урожайность культур, снижается эрозия почв. В этих технологиях количество механических воздействий на почву, включая ее рыхление, сокращается до трех раз, вместо 9Е12  в традиционной технологии. Несмотря на очевидные преимущества, они не получили большого распространения, в первую очередь, из-за недостаточной изученности причин сохранения почвой длительное время своего рыхлого состояния и отсутствия научных основ минимизации технологического воздействия на почву.

Анализ современных способов обработки почвы и рабочих органов показал, что в их основе лежит принцип воздействия на почву сжатием,  а рабочие органы для их реализации преимущественно пассивного типа. Все это является причиной повышенной энергоемкости обработки почвы.

В земледельческой механике, начиная с ее основателей В.П. Горячкина, Б.А. Криль, М.Н. Летошнева, рассматривались вопросы обработки почвы и рабочих органов для снижения тягового сопротивления. Перспективным направлением развития явилась разработка активных рабочих органов. Почвообрабатывающим фрезам посвящены труды А.Д. Далина, П.А. Некрасова, Б.Д. Докина, И.М. Панова и др.

Несмотря на многочисленные исследования, до сих пор нет рабочих органов, обеспечивающих оптимальное сложение почвы и значительно снижающих энергетические затраты. Одной из причин этого является то, что в земледельческой механике почва рассматривается исключительно на макроуровне (10 -1Е10 -2 см), определившем действующие агротехнические требования  к обработке почвы, не адекватные к требованиям растений и природе самой почвы. Кроме того, применяемые в земледельческой механике механические модели почвы, заимствованные из механики сплошных сред, не в полной мере отражают ее состав и структуру. 

Теории разрушения почвы в трудах В.П. Горячкина, В.В. Бородкина, В.А. Желиговского, В.И. Виноградова и др., применяемые при разработке способов воздействия на почву и рабочих органов, посвящены исследованию напряженного состояния почвы как однородного твердого тела сплошной структуры. Дав в свое время положительный результат для разработки большинства современных почвообрабатывающих орудий, работающих на принципе сжатия почвенного пласта, они в настоящее время должны быть существенно уточнены.

На основании анализа состояния проблемы для решения поставленной цели определены следующие задачи исследования:

1. Оценить условия функционирования почвообрабатывающих машин на основе анализа и систематизации имеющихся исследований о почве в различных областях науки и обосновать на основе механизмов и процессов, происходящих в почве в естественных условиях, агротехническое требование к её обработке.

2. Теоретически обосновать, используя основные положения энергетических теорий к условиям и задачам земледельческой механики, возможности снижения затрат энергии на обработку почвы.

3. Обосновать уровень технологического воздействия на почву при подготовке к возделыванию зерновых культур в степной зоне.

4. Разработать технические средства для основной и предпосевной обработки почвы, обеспечивающие снижение затрат энергии на операциях обработки почвы.

5. Оценить эффективность основных результатов исследования и дать рекомендации производству по их внедрению.

Основные направления исследования по поставленным задачам выбраны с учетом действующих на почву факторов (рис. 1).        

Рис. 1. Факторы воздействия на почву

Почва, ее состав, структура, свойства и т.д. формируются в первую очередь под влиянием окружающей среды, затем - технологических воздействий, способов обработки почвы и рабочих органов. В свою очередь, они должны выбираться в зависимости от состояния почвы, ее структуры.

Энергетические затраты (Э.з.) на возделывание культур в операторной форме имеют вид функции

Э.з. = f (почва, технология возделывания, способ обработки, рабочий орган).

Глава 2.  Теоретические основы снижения энергоемкости обработки почвы

       Почва (твердая фаза) не является простым набором почвенных частиц, иначе не было бы такого разнообразия ее типов, подтипов и свойств. Поэтому правомер-

но говорить о почвенной системе как о системе материальных частиц, взаимодействующих между собой по физическим законам.

В почвенной системе действуют внешние и внутренние силы (рис. 2).

  К внешним силам относятся гравитационные силы и приложенные нагрузки (на рисунке не показаны). Внутренние - это внутри- и межчастичные силы.

Рис. 2. Силы взаимодействия Все эти силы создают соот-

  между частицами черноземов  ветственные энергетические поля.

Природа этих сил рассмотрена в 

трудах Ван-дер-Ваальса, Лондона, Е.М. Лившица, Б.В. Дерягина и др.

Особенностью черноземных почв является взаимодействие частиц одноименного положительного заряда и наименьшая энергия межчастичной связи. 

Принято допущение, что к твердой фазе почвы как системе материальных частиц могут быть применены положения классической механики.

Состояние почвенного слоя характеризуют пористость, плотность, температура и влажность. Почва есть макроскопическое тело, поэтому параметры состояния представляют собой макроскопические характеристики. В объеме почвы они не имеют одинакового и постоянного значения. За счет активного влияния окружающей среды и микроскопических процессов, происходящих внутри почвенного объема, они находятся в бесконечном изменении. При этом микропроцессы протекают за счет пространственных неоднородностей этих макрохарактеристик. Например, пространственная неоднородность во влажности вызывает перенос массы влаги за счет микроскопического механизма перераспределения ее в объеме. Этот процесс является диффузией. Теплопроводность появляется за счет неоднородности температуры в объеме, которая вызывает перенос тепловой энергии за счет перераспределения кинетической энергии. 

       Если принять, как в статистической механике, что почвенный слой как макросистема объемом  V  состоит из  N  частиц, каждая из которых подчиняется законам классической динамики, то его микроскопическое состояние как системы определяется точкой в фазовом пространстве  6N измерений с координатами 

  r1, Е, rN;  p1, Е, pN,                                                        (1)

где  ri - радиусЦвектор i-й частицы в пространстве координат, м; pi - радиусЦвектор i-й частицы в пространстве импульсов, кгм/с.

       

Нахождение системы в элементарном объеме фазового пространства dr1 Е drN; dp1 ЕdpN  в окрестности точки (r1,Е,rN; p1,Е,pN)  в момент времени  t  определяется вероятностной функцией распределения  FN (t, r1,Е,rN, p1,Е,pN) (через dri  и  dpi  обозначены объемы).

       При помощи полученной нами функции распределения можно определить макроскопические характеристики системы.

       Плотность вещества в точке  r

                       

                ρ (t, r) = ∫ (r) FN ( t, r1,..rN,р1ЕpN ) dr1ЕdpN,                       (2)

где  (r) - оператор плотности, кг/м3.

       Плотность кинетической энергии в точке  r

              E (t, r) = ∫(r) FN (t, r1,..rN,р1ЕpN ) dr1ЕdpN,                       (3)

где (r) - оператор кинетической энергии, Дж.

       Плотность потока массы влаги в точке  r

               

  J (t, r) = ∫(r) FN (t, r1,..rN,р1ЕpN ) dr1ЕdpN.                        (4)

где  (r) - оператор плотности потока, кг/м3.

       В однородной системе  с  mi = m плотность кинетической энергии связана с температурой в той же точке  r следующим образом:

              E (t, r) = αkT (t, r) l/m ρ (t, r) + K (J (t, r)),                       (5)

где  α - численный множитель, зависящий от числа трансляционных степеней свободы в системе (для совершенно свободной частицы  α = 3/2); k - постоянная Больцмана, Дж/К; К - плотность кинетической энергии макропотока в точке  r, Дж/с.

       Данные макрохарактеристики находятся в непрерывном изменении. Основой же изменений параметров состояния служит микроскопический механизм перераспределения частиц.

Таким образом, статистическая механика позволяет установить происходящие в почвенных слоях процессы переноса тепла, влаги и энергии, а также тепло- и влагообмен между окружающим воздухом и почвой.

Г.Х. Цейтин и А.Ф. Чудновский предложили формулу для определения температуры почвенных слоев по температуре окружающего воздуха на высоте метеорологической будки

        ,                        (6)

где  х - глубина, на которой определяется температура почвы, м; τ* - изменение времени от τ* = 0 до заданного τ* = τ  (порядка нескольких часов); φ (τ -τ*) - ход температуры воздуха во времени на определенной высоте (высота метеорологической будки 1,5 - 2,0 м), К; d[g (x, τ*)] и d[W (x, τ*)] - соответственно функции изменения температуры и влажности во времени и по глубине.

По температуре окружающей среды нами, по данным Брединской районной метеостанции Челябинской области, расчетным путем были получены закономерности температурных колебаний в слоях почвы во времени (рис. 3).

В почвенном слое вырабатывается большое количество тепловой энергии. Даже в начале мая, когда температура атмосферного воздуха невысока, в нем выделяется до 80 кДж. А энергия межмолекулярной связи частиц в черноземных почвах составляет порядка 100 кДж. Эта энергия усиливает колебательное движение почвенных частиц, побуждая их к разрыву связей между ними.

  Рис. 3. Суточные изменения температуры почвы Классическая механика,

как показано выше, позволяет получать определенные практические результаты. Но установить сам механизм процесса переноса энергии вещества внутри почвы с ее помощью затруднительно. Поэтому возникает необходимость рассмотрения внутрипочвенных процессов с позиции волновой и квантовой механики.

       Луи де-Брогль применил положения теории света Эйнштейна к материи. Идея волн материи, связанных с движением материальных частиц, подтвердилась экспериментально. К системе материальных частиц применимы соотношения:

 

  энергия е = ν; импульс р = k;  волновое число k = 1/ λ; длина волны λ = /mv,

где  m - масса частицы, кг; v - скорость частицы, м/с; волновая скорость ω = с2/ v, м/с.

Для материальных лучей также существуют явления интерференции и дифракции, т.е. они имеют волновую природу. В теории Луи де-Брогля материальные частицы, подобно световым, рассматриваются как квазичастицы, фононы. Подобно электронному газу в кристаллической решетке, в материальном теле между частицами функционирует фононный газ, который описывает тепловое движение атомов. Все виды переносов (перенос массы, энергии и т.д.) происходят посредством этого фононного газа.

Сказанное особенно актуально для почвы как материального тела, ведь в реальности почва не является сплошным телом твердой структуры, в ней много пустот и трещин, взаимодействие между частицами слабое. И дырочный перескок атомов микроскопического механизма переноса к почве, по нашему мнению, неприменим. Почвенные частицы в форме одинаковых шаров расположены в кубической или гексагональной упаковке. Они в молекулярно-кинетической теории совершают колебательные движения вокруг положения равновесия, в совокупности вызывая колебания упаковки в целом. Функция Гамильтона для малых колебаний упаковки

                                ,                               (7)

где Ω - частота колебания, Гц; Q и P - канонические переменные энергии, Дж.

Каждое слагаемое имеет вид функции Гамильтона одномерного гармонического осциллятора, который в теории Дебая принимается за источник распространяющихся в определенном направлении звуковых волн - фононов. Оно описывает определенное нормальное колебание упаковки, которое представляет собой бегущую волну.

В физической кинетике фононы рассматриваются как квазичастицы, представляющие собой упругие колебания среды. Из всего сказанного следует, что почвенную систему правомерно рассматривать как фононную систему. В почве происходят непрерывные изменения температуры слоев как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, являющиеся следствием тепловых колебаний почвенной среды. Собственные колебания почвенных частиц усиливаются воздействием окружающей среды. Фононы, как квазичастицы, имеют те же характеристики, что и элементарные частицы: время и длину свободного пробега, они могут сталкиваться, отдавать энергию и т.д. Известны уравнения фононной гидродинамики:

                                ;

                        vν = 0;                                                (8)

Pi = ρil νl,

где Р - плотность квазиимпульса, (кгм2)/с; S - энтропия, Дж/К; ∇Т - изменение температуры, К; с - удельная теплоемкость, Дж/кгК; ν - скорость дрейфа фононов, м/с; ρil - тензор, имеющий размер плотности, кг/м3.

       Таким образом, уравнения фононной гидродинамики дают описание теплового движения, где температура определяется как мера средней энергии теплового движения частиц и характеризует равновесное распределение фононов.

Правомерность рассмотрения почвы как фононной системы подтверждается полученными выше расчетами, волнообразным изменением температуры почвенных слоев. Справедливость наличия колебательных квантов показывает также картина распространения звуковых волн в почвенном слое.

       Представление почвенной системы как фононной дает возможность установить величину энергии процессов, происходящих в ней.

Состояние фононной системы характеризуют термодинамические функции: энтропия, свободная и внутренняя энергия. Именно как фононная система почва является термодинамической системой.        

Механизм переноса тепла в почве был установлен нами при рассмотрении ее с позиции квантовой механики. Процессы переноса совершаются фононами или квантами упругих колебаний среды, возникающих вследствие колебаний почвенных частиц (рис. 4). Интенсивность этих колебаний зависит от энергии межчастичных связей U0, которая в свою очередь определяется типом почвы и ее структурой.

Контакты между почвенными частицами осуществляются через пленки жидкости 2.

 

  Рис. 4. Фрагмент упаковки почвенных частиц:

1 - почвенные частицы; 2 - жидкостная пленка;

U0 - энергия взаимодействия между частицами

Термоактивационные процессы происходят как с частицами, так и в молекулярной структуре жидкой пленки. Если величина энергии колебания превышает величину энергии связей между частицами, происходит разрыв этой связи и саморазрушение почвенной структуры.

Тип почвы формируется минеральной основой. Минеральной основой черноземов является монтмориллонитовая группа, химический состав которой выражается формулой MgO⋅Al2O3⋅4SiO2⋅H2O⋅nH2О. Энергия связи составляет 100 кДж/моль.

Согласно термодинамическому условию прочности, сформулированному И.И. Гольденблатом и А.Ф. Чудновским, напряжение разрыва почвенных частиц

                                       ,                       (9)

где  γ - активационный объем, м3; U0 - энергия межатомной связи, Дж; k - постоянная Больцмана, Дж/К; τ - долговечность материала при заданном растягивающем напряжении σ*  и абсолютной температуре Т, с; τ0 - период колебания частицы около положения равновесия, с.

С учетом термофлуктуационных процессов накопления разрывов межчастичных связей в зависимости от температуры и времени это уравнение можно записать в виде

                                       ,                             (10)

где Е - модуль продольной упругости, Н/м2; а - длина межатомной связи, м; Λ - длина свободного пробега фононов, м; ε* - разрывное удлинение межатомных связей, м; α - коэффициент теплового расширения, К-1.

По этому уравнению для черноземов при температурах поверхности почвы 20Е270С напряжение разрыва почвенных частиц составляет 0,4 кг/см2.

Поверхность почвы подвергается непрерывному гигротермическому воздействию окружающей среды, вызывающему распад ее структуры. В физико-химической теории известно соотношение Гриффитса, согласно которому прочность тела Рс пропорциональна поверхностному натяжению 1/2 (Рс ~ 1/2). Сорбционные процессы, по Ребиндеру, приводят к понижению свободной поверхностной энергии почвы, связанной с химическим составом фаз, прочностью почвенной структуры:

                                        Fs = σ S,                                       (11)

где σ - удельная поверхностная энергия, Дж/м2; S - площадь поверхности, м2.

       При взаимодействии тела со средой, содержащей водяные пары, понижение поверхностной энергии выражается зависимостью

                                ΔFs = RT,                                     (12)

где R  - универсальная газовая постоянная, Дж/Кмоль; Т  - абсолютная температура, К; Г - адсорбция водяных паров, м3/м2; d - плотность тела, кг/м3; р - давление паров, Па.

       

       А.Ф. Полаков и В.В. Бобков приводят уравнение предела прочности пористых тел на разрыв, выведенное на основе физико-химической теории прочности

                        Rp = FpR/ = μ2 γ1(σ/εк) v12 S0 Фр ,                       (13)

где Fр - площадь разрыва, м2; μ - радиус контакта частиц, м; γ1 - удельный вес частиц, Н/м3; σ - поверхностная энергия, Дж; εк - критическая деформация, м; v1 - суммарный объем частиц, м3; S0 - удельная поверхность, м2/г; Фр - показатель степени неравномерности размеров частиц в объеме.

Для черноземов по формуле получим, что предел прочности почвенных частиц на разрыв в плотных почвах изменяется в пределах 6,7Е31,0 кг/см2, в рыхлых почвах - 0,99Е4,6 кг/см2.

Реологические свойства почвы реализуются ее упругостью и вязкостью, которые формируются в основном за счет почвенной воды, и ее парами, составляющими жидкую и газообразную фазы почвы. Почвенная вода делится на свободную (объемную) и связанную (граничную). В работе приведены структура и свойства объемной воды в крупных капиллярах и пустотах, ее молекулярное строение, силы взаимодействия и энергия молекул, движение молекул и т.д. Рассмотрены водные растворы в почве, их строение, закономерности их формирования.

Связанная вода на поверхностях почвенных частиц имеет особые свойства, сформированные перестройкой сетки межмолекулярных водородных связей под влиянием поля поверхностных сил частиц. Граничные слои воды по сравнению с объемной водой имеют особенности: повышенные вязкость и плотность; пониженные подвижность молекул и растворяющая способность; сниженные температуропроводность и диэлектрическая проницаемость.

На основе данных исследователей была составлена микродинамика граничной

воды в черноземах (рис. 5).

Отрицательный атом кислорода воды электростатически связан с положительными ионами поверхности частиц.

Рис. 5. Микродинамика граничной воды:

1, 2 - почвенные частицы;

h - толщина прослойки

Диполи воды расположены по нормали к поверхности. Положительные атомы водорода молекул воды создают отталкивающий эффект между диполями воды, появляется расклинивающее давление, что вызывает расхождение поверхностей (частиц) в тонкой прослойке.

Величина расклинивающего давления зависит от толщины прослойки (Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев и др.). Толщина смачивающих пленок определяется изотермой расклинивающего давления. Формирование граничных пленок и их свойств происходит под влиянием поверхностей частиц и водного раствора.

Естественно предположить воздействие водного раствора, смачивающих пленок на состояние поверхностей частиц и самой частицы. В почве, как в капиллярно-пористом теле, вследствие градиентов различных движущих сил возникают термо-, электро-, капиллярноосмотическое и пленочное течения воды. В результате вода проникает во всю структуру твердой фазы, адсорбируясь в ней, и влияет на ее характеристики.

Минеральной основой черноземов служит монтмориллонитовая группа, в которой в процессе адсорбции выделяется значительное количество тепловой энергии (Ю.И. Тарасевич, Ф.Д. Овчаренко). Ее значение доходит до 14 кДж/моль. Эта тепловая энергия увеличивает энергию колебания почвенных частиц и содействует разрыву связей между ними. К тому же, при нагревании снижается межфазная энергия за счет увеличения взаимной растворимости фаз, уменьшается вязкость связанной воды, возрастают коэффициенты объемной и поверхностной диффузии. Все это способствует снижению прочности твердых тел.

По данным исследователей, в монтмориллонитах существуют четыре вида молекул адсорбционной воды, амплитуда колебаний которых лежит в пределах 3100Е3600 см-1. В результате возникают элементарные волновые процессы, вызывающие механические напряжения в почвенных частицах и агрегатах, приводящие также к снижению их прочности.

Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о том, что под действием почвенной воды происходит разрыхление почвенного слоя.

Обзор ряда исследований (Н.В. Перцов и др.), в которых изучается разрушение горных пород, контактирующих с водными средами, показывает, что в основе процессов разрушения лежат перечисленные выше механизмы.

Приведенное свидетельствует, что почва, почвенные частицы разрушаются под действием граничной, связанной воды. Связанная вода, как показано выше, по характеристикам слабее свободной воды. Следовательно, для интенсификации процессов разрыхления почвы связанную воду необходимо перевести в категорию свободной воды, что возможно с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Повышение или понижение температуры почвы вызывает изменение давления почвенного воздуха (рис. 6). При нагревании почвенного слоя воздух, находящийся в его порах и пустотах, расширяется, и повышается давление на стенки пор и пустот. Усиливаются удары молекул воздуха.  При давлении, превышающем силу взаимодействия частиц, эти стенки разрушаются. При охлаждении же давление в порах и пустотах снижается, что также вызывает деформацию связей почвенных частиц. Таким образом, в результате взаимодействия почвенных частиц, взаимодействия фаз, адсорбции водяных паров из окружающей среды в почве непрерывно происходит процесс саморазрыхления почвы, который наиболее развит в черноземных почвах на карбонатной основе.

Саморазрыхлению почвы способствует и целый ряд других факторов: процессы увлажнения и высыхания, сопровождающиеся набуханием и усадкой почвенного слоя; разрыхляющее действие корневых систем растений; деятельность микроорганизмов и червей; процессы промерзания и оттаивания почвенного слоя. То есть, в естественных природных условиях происходит разрыхление почвы и без ее механической обработки, из чего следует вывод Рис. 6. Изменение давления почвенного воздуха

о возможности минимизации меха-

нических технологических воздействий на почву. Это и является основой минимальных ресурсосберегающих технологий.

Способы обработки почвы и рабочие органы для их реализации должны обеспечивать условия для произрастания растений, т.е. отвечать их требованиям. А соответствующие агротехнические требования к качеству обработки почвы, как отмечалось выше, пока не определены.

Этот вопрос рассматривался нами в свете выполненных исследований почвы в различных отраслях науки: почвоведении (В.В. Докучаев, П.А. Костычев, К.К. Гедройц и др.); агрофизике (И.М. Комов, А.Г. Дояренко, А.Д. Воронин и др.); земледелии (Н.М. Тулайков, Т.С. Мальцев, В.А. Ковда и др.); растениеводстве (А.В. Советов, И.А. Стебут, В.Р. Вильямс и др.); земледельческой механике (В.П. Горячкин, В.А. Желиговский, В.И. Виноградов).

На основе их анализа нами выдвинута гипотеза о том, что в составе почвы имеется еще и четвертая, плазменная фаза, которая и является фазой питательных веществ. В нашей формулировке определения почвы указывается, что плазменная фаза, почвенный раствор, и образует основное свойство почвы - плодородие.

Очевидно, что сложение и структура почвы должны создавать ее плодородие, т.е. формировать фазу питательных веществ. И оценка структуры почвы должна соответствовать этому.

Параметры почвенного раствора зависят от пористости почвы, от соотношения некапиллярной и капиллярной пористостей.  Физико-химические процессы, непрерывно происходящие в почве, зависят от ее строения (табл. 1).

Из таблицы видно, что поры играют исключительную роль в жизнетворности почв. Но пористость зависит от плотности расположения частиц в объеме. Требуемая плотность почв для возделывания зерновых культур находится в пределах 1,1Е1,3 г/см3. При такой плотности обеспечивается оптимальное соотношение капиллярной (24%) и некапиллярной (35%) пористостей.

Пористость и плотность составляют в совокупности удельную поверхность почвы, являющуюся ее фундаментальным свойством. От нее зависят все свойства почвы. Чем больше удельная поверхность почвы, тем больше ее поверхностная энергия, тем выше содержание гумуса, тем благоприятнее условия для роста и развития растений. Следовательно, агротехническим требованием к качеству обработки почвы должна быть удельная поверхность обработанного почвенного слоя.

Таблица 1

Зависимость между пористостью почвы и физико-химическими процессами

Виды пористостей, %	Доля пористостей	Воздухо- проницае- мость, %	Влаж- ность, %	Степень насыще- ния, %	Испаряе- мость, мм/ч	Капилляр- ное подня- тие, мм/сут
Некапиллярная Капиллярная	2,7 44,7	< 0,5	32,20	92	1,58	117,5
Некапиллярная Капиллярная	24,5 25,5	4,0	25,5	51	1,26	20
Некапиллярная Капиллярная	29,6 25,1	100,0	23,0	46	1,15	9
Некапиллярная Капиллярная	35,1 24,5	90,0	21,3	41	0,96	6
Некапиллярная Капиллярная	38,7 23,9	95,0	20,5	37	0,60	2,5

Проведены теоретические и экспериментальные исследованиями по разрушению почвы. Сравнением величин нормальных и касательных напряжений, возникающих в почвенном пласте при воздействии клина, мы установили, что разрушение почвы в состоянии спелости начинается сдвигом по какой-то площадке. Образуется начальная трещина. Упругая энергия, накопленная в пласте при воздействии клина, высвобождаясь через нее, будет одновременно разрывать связи между частицами, продвигая трещину дальше. Развитию трещины будут способствовать и поры, пустоты, не исчезнувшие при сжатии пласта. Первоначальный сдвиг одних частиц сопровождается в дальнейшем отрывом друг от друга других частиц при межзеренном их скалывании или же будет происходить внутризеренное скалывание частиц. В результате происходит сложное разрушение пласта сдвигом с отрывом.

В порах же развивается давление почвенной влаги, она устремляется в трещину, играет роль клина и продвигает ее дальше. При этом поровая вода служит и своего рода смазкой между поверхностями трещин, сильно облегчая их развитие. 

Поверхность разрушения развивается неоднозначно, имеет ступенчатый характер, который становится вовсе непредсказуемым вследствие скоростного режима обработки почвы. Количество факторов, влияющих на процесс разрушения, возрастает, силовые факторы меняются ежесекундно. Значительны будут динамические колебания частиц. Скорость изменения порового давления также будет большой. Поэтому точное определение величины и направления разрушающей силы вряд ли осуществимо. Целесообразнее определять энергию, расходуемую на процесс.

По Гриффитсу, энергия, расходуемая на разрушение материала, равна поверхностной энергии образовавшейся трещины:

,                       (14)

где Рv/2 - накопленная в пласте в результате сжатия потенциальная энергия, Дж; π2σ2/2Е - потенциальная энергия, освобождающаяся через образовавшуюся трещину (плоскость) сдвига, Дж; 4Sп  - поверхностная энергия образовавшейся трещины, Дж.

Преобразуя это уравнение, мы получили величину энергии крошения почвы

                               Ап = п (УПагр - УПд) ,                               (15)

где  п - поверхностное натяжение почвенной частицы, Н/м; УПагр - агротехнически необходимая удельная поверхность почвы, м2/г; УПд - действительная удельная поверхность почвы, м2/г.

За УПагр принимаем удельную поверхность черноземов в естественном рыхлом сложении - 130 м2/г. Действительная удельная поверхность черноземов степных зон находится в пределах 90 м2/г.

Для крошения почвенного пласта плотностью 1,5 г/см3 требуется затратить энергию, равную 436 кДж. Сила сжатия, обеспечивающая такую энергию крошения, определяется уравнением

                                       Uобщ = ,                                       (16)

где Uобщ - общая энергия крошения, Дж; Рсж - общая сила сжатия пласта, Н; Lп - длина пласта, м; Ес - модуль сжатия пласта, Па; a, b - толщина и ширина пласта, м.

       Она равна 6045 Н. Согласно экспериментальным данным Ю.В. Луканина, такая сила сжатия возникает при скоростях движения более 14 км/ч. Рабочие же скорости плугов составляют 8Е10 км/ч, при которых необходимая сила сжатия пласта не создается. Для ее создания потребуется более чем в 1,5 раза увеличить скорость движения. Это приведет к росту тягового сопротивления, что еще больше увеличит энергоемкость обработки почвы. Следовательно, необходимы способы обработки почвы и рабочие органы, работающие на других принципах воздействия на почвенный пласт, а не принципе его сжатия, по которому в настоящее время работают почвообрабатывающие орудия.

       Разработана реологическая модель почвы и на ее основе рассмотрены различные виды воздействия на почвенную структуру (рис. 7).

Рис. 7. Реологическая модель почвы:

H, N, StV - элементы упругости, вязкости и сухого трения; нижние индексы

1, 2, 3 - макроагрегат, микроагрегат и элементарная почвенная частица;

верхний индекс 1 - момент проявления элементов

При воздействии на почву сжатием (рис. 7, а) возникающие в ней напряжения определяются уравнением математической модели

                ,                       (17)

где 0 - начальное напряжение сдвига, Па; е - основание натурального логарифма; G - модуль сдвига, Па; N, K - соответственно коэффициенты вязкости элементов, Пас; - скорость деформации, м/с; М  - коэффициент пропорциональности;

При воздействии на почву растяжением (рис. 7, б), возникающие в ней напряжения определяются уравнением второй математической модели

              ;                       (18)

Сравнением этих уравнений получим, что при растяжении почвенной структуры возникающие в ней напряжения меньше, чем при ее сжатии. Реологическая модель наглядно показывает, что почва обладает структурной вязкостью.

Этот вывод подтвердили кривые деформирования почвы (рис. 8), построенные нами по экспериментальным данным исследователей, приведенных Д.И. Золотаревской. На начальном этапе почвенная структура не нарушена, она обладает максимальной вязкостью, в конечной же стадии структура нарушена и вязкость минимальна. Сопротивление почвы не имеет постоянного характера ни по величине, ни по направлению. Следовательно, рабочий орган должен  быть  с  переменными формой и геометрией поверхностей скольжения почвы или комбинированным.

Рис. 8. Реологическая кривая тяжелосуглинистого Способ обработки почвы чернозема (плотность 1,66 г/см3,  относительная должен  обеспечить  требуемое

влажность 0,66) качество работы  при  наимень-

ших затратах энергии.

Расход энергии на обработку единицы объема почвы

                                      Ауд = ,                                             (19)

где Pv - работа, производимая в единицу времени (Р - сила тяги орудия, Н; v - скорость движения агрегата, м/с); abv - объем почвы, обрабатываемый в единицу времени (а, b - глубина и ширина обрабатываемого почвенного слоя, м).

       По В.П. Горячкину, объем почвы, обрабатываемый в единицу времени

                                abv = ,                       (20)

где ηA(B-Cvm)v - характеристики трактора; - характеристики плуга.

Способ обработки почвы или принцип воздействия на нее при обработке должны выбираться с учетом физико-механических свойств почвы. Подставив уравнение (20) в уравнение (19), после преобразования  получим характеристику почвы

                                    Ауд = ,                               (21)

где ηпл - К.П.Д. орудия; k - коэффициент деформации пласта, Н/м2; ε - скоростной коэффициент, (Нс2)/м4.

Коэффициент деформации пласта характеризует главную часть сопротивления, оказываемого проходу орудия. На деформацию у плугов и плоскорезов, воздействующих на пласт путем сжатия, приходится до 50% тягового усилия. При сжатии почвы рабочими органами, сдвиге и последующем скольжении по рабочим поверхностям частицы принимают ориентированное, преимущественно параллельное расположение. Это ведет к плотной упаковке частиц и увеличению сопротивления почвы продвижению рабочего органа.

По Голугорскому, величины напряжений, возникающих в почвенном слое, составляют, кг/см2: при сжатии - 0,3Е0,5; при растяжении - 0,05Е0,10; при кручении - 0,05Е0,10; при чистом сдвиге - 0,5Е1,0. Следовательно, как показывает уравнение (13), для снижения энергетических затрат при обработке почвы необходимо воздействовать на нее путем растяжения, кручения и т.д.

Выбор принципа воздействия на почву для снижения энергоемкости ее обработки проведён на основе определения величины тягового сопротивления рабочего органа. Для этого использована разработанная нами реологическая модель почвы на уровне микроагрегатов, так как обработка почвы производится в состоянии ее физической спелости и меняет почвенную структуру именно на этом уровне (рис. 9).

При воздействии рабочего органа сжатием (рис. 9а) на почвенный объем в нем возникает движение слоев, происходят вязкостные и упругие деформации. Принимаем, что их скорости имеют равные значения. Интенсивность работы, производимая приложенной силой F, определяется по выражению 

                        Fv = F1vN2 + F2vH2 ,                               (22)

где F1, F2, - силы, действующие на элемент вязкости N2 и элемент упругости Н2, Н; vN2, vH2 - скорости перемещений в этих элементах вязкости и упругости, м/с.

         Так как скорости перемещений в почвенном слое равны, то F = F1 + F2; сила сопротивления объема почвы воздействию рабочего органа R = F.

 

а б

Рис. 9. Силовое возбуждение почвенного объема: а - сжатием, б - растяжением

V - почвенный объем; 1 - элемент вязкости (тело Ньютона) почвы;

2 - элемент упругости (тело Гука) почвы

Cила F1, приложенная к элементу вязкости, вызывает в нем силу сопротивления вязкостному движению почвенных слоев. Поэтому

                              F1 = η ,                                       (23)

где - динамический коэффициент вязкости поверхности почвенных слоев или коэффициент внутреннего трения, Пас; S - площадь соприкосновения поверхностей скольжения, м2; v - скорость скольжения слоев, м/с; а - расстояние между граничными плоскостями скольжения, м.

       Преобразованием этого уравнения получим

                                F1 = Sv = gabv ,                                       (24)

где - удельный вес почвы, Н/м3; - плотность почвы, кг/м3; g - ускорение, м/с2; b - ширина почвенного слоя, м; v - скорость движения рабочего органа, м/с.

       Сила F2, приложенная к элементу упругости, вызывает в нем силы сопротивления почвенного элемента упругим перемещениям. Отсюда

                                        F2 = ЕS = Еab ,                               (25)

где Е - модуль упругости, Па; - относительная деформация.

       Таким образом, сила сопротивления почвенного объема воздействию рабочего органа сжатием

                        Rсж = F = gabv + Еab .                       (26)

При воздействии на почвенный объем растяжением (рис. 9б) получим

  Rраст = F = gabv + (1/Е)ab = аbgv ,                         (27)

где = 1/Е - коэффициент растяжения.

       Сравнением этих сил сопротивлений получим, что Rраст < Rсж.

       А. Кулен и Х. Куиперс показали, что сопротивление почвы растяжению в 8 раз меньше сопротивления сжатию.

Из вышеизложенного следует, что снижение энергетических затрат на обработку почвы достигается деформацией ее растяжением.

Глава 3. Обоснование уровня технологического воздействия на почву при возделывании зерновых культур в степной зоне

       В исследовании мы исходили из следующих общепринятых стандартами понятий минимальной и нулевой технологии обработки почвы. Минимальная обработка выполняется комплексом машин и орудий для поверхностной обработки почвы. При этом трудовые и энергетические затраты минимальны. Под нулевой обработкой почвы понимается прямой посев в необработанную почву специальными сеялками.

Рассмотрены почвенно-климатические условия степной зоны. Почвы тяжелого механического состава в основном на карбонатной основе, пылеватой структуры, малогумусированы. Основным лимитирующим фактором является влага, культуры обеспечены ею на 60%. В этих условиях были проведены полевые исследования влияния различных видов обработки на показатели почвенной структуры, на плотность (рис. 10).

Как показывают графики, на участке без обработки (нулевая обработка) в течение четырех лет не произошло уплотнения почвы, напротив, здесь, как и на других участках, произошло разуплотнение. Участок с нулевой обработкой почвы не зарос сорняками, на третьем году опытов засоренность составила (шт/м2): нулевая обработка - 30; отвальная обработка - 45;  плоскорезной  ла-

  Рис. 10.  Объемная масса почвы пой - 26;  стойкой СибИМЭ Ц 

  при различных видах обработки  35; чизельной лапой - 40. 

  1996 год был сильно засушливый, неурожайный. В этих условиях урожайность пшеницы составила (ц/га): нулевая обработка - 8,3; отвальная обработка - 4,2; плоскорезной лапой - 4,5; стойкой СибИМЭ - 5,0; чизельной лапой - 5,5.

По запасу продуктивной влаги необрабатываемая почва уступила только почве с отвальной обработкой (рис. 11). В ней, в самом засушливом 1996 году, оказались высокие запасы продуктивной влаги, что и обеспечило большую урожайность, чем на остальных участках.

Таким образом, показатели почвы с нулевой обработкой не уступают показателям обрабатываемой почвы, а в некоторых случаях даже превосходят. Следовательно, технология нулевой обработки почвы имеет право на существование и может быть успешно применена в условиях степной зоны.

На основе системного подхода обосновывается возможность и необходимость применения технологии прямого посева (нулевой обработки почвы) в условиях степной зоны на примере Челябинской области.

Главные особенности степной зоны: тяжелый механический состав почв; засушливый период весенне-полевых работ; большой дефицит продуктивной влаги; большие посевные площади;  большая длина гонов;  не-

Рис. 11. Запасы продуктивной влаги хватка  механизаторских  кадров;

при различных видах обработки  увеличивающийся  удельный  вес

  комбинированных агрегатов.

Современная концепция земледелия предполагает, что технология возделывания сельскохозяйственных культур должна быть высокопродуктивной, почвозащитной, влаго-, ресурсо-, трудосберегающей и экологически безопасной.

Выполнение этих требований зависит от множества факторов (рис. 12).

        Виды технологии  Рабочий орган

                                     

                Технология               Выход продукции

Материально-       обработки почвы                Энергозатраты

  техническое         под посев                Состояние почвы

обеспечение                 зерновых культур               Экологические

                                последствия

Севообороты       Почва

Рис. 12. Факторы, влияющие на технологию обработки почвы

под посев зерновых культур

На выбор технологии определяющим образом влияют и энергетические затраты. Зависимость энергетических затрат (Э) от входных параметров в операторной форме (оператор А) имеет следующий вид:

                        Э = А (виды технологии, рабочий орган)                        

Технология прямого посева является почво- и влагосберегающей технологией. Она же будет и энергосберегающей технологией с минимальным уровнем технологического воздействия на почву.

Для всех технологий возделывания культур одним из общих знаменателей является продолжительность их выполнения. Поэтому энергетические затраты на выполнение технологии в общем случае определяются по выражению

                                       Э = qТт  ,                                               (28)

где q - удельные энергетические затраты в единицу времени, Дж/час; Тт - продолжительность выполнения технологии, час.

       Продолжительность проведения весенне-полевых работ при традиционной технологии

                                       Тт = ,                               (29)

где - продолжительность выполнения технологических почвообрабатывающих и посевных операций, час; m. пер - продолжительность технологических перерывов между операциями, час.

       Продолжительность весенне-полевых работ при технологии прямого посева

                                       Тт = tпр. пос  ,                                       (30)

где  tпр. пос - продолжительность выполнения прямого посева, час.

       Энергетические затраты при традиционной технологии и технологии прямого посева

                               Этр. т = ;               (31)

                               Эн. т = qпр. пос tпр. пос  ,                                       (32)

где qi - удельные энергозатраты в единицу времени на почвообрабатывающие и посевные операции, Дж/час; qх.х - удельные энергозатраты на холостые пробеги при технологических перерывах, Дж/час; qпр. пос - удельные энергозатраты в единицу времени на проведение прямого посева, Дж/час.

       Приведенные уравнения показывают, что и продолжительность весенне-полевых работ,  и энергетические затраты при технологии прямого посева значительно меньше, чем при традиционной технологии.         

В главе рассматривается регламент работы по технологии прямого посева. Установлены виды севооборота. 

Длительность применения технологии прямого посева определялась по двум критериям:

1) по диагностическому показателю, характеризующему степень снижения естественного плодородия:

                                       Вξ = ,                                       (33)

где Нг - исходное содержание гумуса, %; Наi - содержание гумуса после соответствующей культуры, %; Нд - наинизшее (предельное) содержание гумуса для возделывания культуры;

Непрерывная длительность применения технологии прямого посева по этим расчетам оказалась равной 3Е4 годам.

2) по функциональной зависимости Солтера и Грина между временем и плодородием почвы (рис. 13):

                       

N = N0 (1 - x)t,                                       (34)

где N - содержание азота в почве в момент времени t, мг/кг; N0 - исходное содержание азота, мг/кг; x - годовая потеря азота, мг/кг.

Из графиков следует, что почва с каждым годом теряет азот с различной  интенсивностью в зависимости от вида севооборотов. Критическое же содержание наступает через 3Е5 лет.

Установлено, что при технологии прямого посева по истечении ряда лет происходит резкая дифференциация почвенных слоев по содержанию питательных веществ: наиболее богат ими верх-  Рис. 13. Динамика содержания в почве азота

ний 5Е7 см слой, который умень-  по годам: 1 - низкое содержание азота;

шается каждый год. 2 - очень низкое содержание азота

Ввиду приведенного выше,

необходимо обогащение нижних слоев питательными элементами путем оборота пластов, перемешивания почвенных слоев, заделки накопившихся растительных остатков, внесения удобрений и т.д.         Это обеспечивается периодической (один раз в 3 - 4 года) основной обработкой почвы.

Глава 4. Разработка энергосберегающих способов и технических средств для основной и предпосевной обработки почвы

Прототипом предложенного способа обработки почвы послужили дождевые черви. Известно, что они являются прекрасными почвообразователями. При этом энергетические затраты прохода самых крупных червей в почвенном слое находятся в пределах 0,0510-5 Дж/га. На основе копролитов, навозных камешков червей, установлены требования к процессу обработки почвы. Как установил ещё Ч. Дарвин, если бы почвенный слой состоял из копролитов, то он был бы идеальным.  На основе функционирования кишечника червя получены способы воздействия на почву растяжением и вибрацией.

Для установления механизма и эффективности вибрации при обработке почвы была исследована восприимчивость почвенной среды к вибрационным колебаниям. При вибрациях в почвенном слое возникают виброползучесть и виброрелаксация. Вибрации вызывают волны сжатия - расширения, волны сдвига и поверхностные волны Релея. Совокупность волновых напряжений реализуется в ударных волнах.

Ударная волна, скорость распространения которой больше скорости звука в невозмущенной среде, вызывает перемещение частиц среды и скачкообразное изменение параметров ее состояния.  Удельная энергия деформации ударной волной

       

                                        ,                               (35)

где σт - предельное напряжение сдвига, Н/м2; ν - коэффициент Пуассона; Е - модуль деформации, Н/м2.

Ударные волны, таким образом, создают зоны сгущения и разрежения, соответственно сжатие и расширение частиц, усиливая их колебательное движение и ускоряя разрыв межчастичных связей.

Как известно, поры в почве находятся под давлением воздуха, содержащегося в ней. Ударная волна вызывает в порах резкий рост этого давления и растягивающих напряжений в ее стенках.

Следствием возросшего давления является разрыв межчастичных связей. Появляются трещины, на ее свободных поверхностях освобождается упругая потенциальная энергия, аккумулируемая внутри поры. Изменение внутренней энергии воздуха в почвенной поре

                                       ΔU2 = pgVε ,                                       (36)

где рg - конечное давление воздуха в поре, Па; V - объем поры, м3; ε - степень приращения напряжения сжатия.

       Энергия, способствующая процессам разрушения (крошения) почвенного слоя

                                       U =  ΔU1 + ΔU2 .                               (37)

Эта энергия вибрационных колебаний в почвенном слое, по нашим расчетам, снижает энергоемкость обработки почвы, примерно на 30%.

По данным исследований ВИМ в 1950Е1960 гг., энергоемкость обработки почвы различными вибрирующими рабочими органами снижается на  20Е40 % по сравнению с невибрирующими. Вибрирующие рабочие органы особенно эффективны при поверхностной обработке почвы.

В общем случае схема работы автоколебательной культиваторной лапы выглядит следующим образом (рис. 14, 15). Подвижность лапы обеспечивается упругой плоской пружинной стойкой массой mc. Лапа при поступательном движении агрегата со скоростью v испытывает силовое и кинематическое возбуждения, амплитуды которых обозначены на схеме соответственно AR и Az. Культиваторная лапа  совершает колебательные перемещения в горизонтальном, под действием сил сопротивлений, и вертикальном направлениях вместе с рамой орудия из-за неравномерности рельефа поля.

Статистические характеристики профиля поверхности полей степной зоны Челябинской области показывают, что поля ровные, частота колебаний рамы почвообрабатывающих машин составляет 1..3 мин-1. Поэтому принимаем:  культиваторная лапа не совершает колебаний в вертикальном направлении.

Рис.14. Культиваторная лапа Рис.15. Форма кривой пружинной

  на пружинной стойке                         стойки рабочего органа

В нашей схеме граничными условиями являются: один конец стержня закреплен у = 0, а другой свободный - у = h. Для такой схемы характеристическое уравнение частоты колебания стержня

                        chδ⋅cosδ + 1 = 0 ,                               (38)

где δ = γh; γ - угловое смещение на единицу длины стержня, градус.

Это уравнение является квадратичной комбинацией гиперболической и тригонометрической функции колебания стержня, которая дает форму кривой пружинной стойки рабочего органа. Она будет складываться из кривой косинусов и цепной линий или кривой трактрисы (см. рис. 15).

На основании полученного нами уравнения тягового сопротивления рабочего органа в общем виде, с учетом силы трения почвы о рабочую поверхность, сила тяги культиваторной лапы

                Р = [gab(vл - vп) + Еab](sin + fcos) ,               (39)

где vл - скорость движения лапы, м/с; vп - скорость движения почвы, м/с; - угол крошения, градус; f - коэффициент трения.

Проход вибрирующей лапы в почве сопровождается ударными импульсами силы упругости ее стержня на объем почвы на лапе. За счет этого объем почвы получает перемещение с определенной скоростью. На этом участке лапа движется, не встречая сопротивления, что снижает тяговое сопротивление лапы.

       Скорость перемещения почвы определяется из системы уравнений

mvпн - mvпк = Fупр t ;                                        

                                                                        (40)

                      = Fупр ,                      

где m - масса почвы, кг; vпн - начальная скорость движения почвы, м/с; vпк - конечная скорость движения почвы, м/с; Fупр - сила упругости стержня лапы, Н/м; t - время воздействия силы, с; - путь, проходимый почвой за время t, м.

       Если принять, что конечная скорость движения почвы равна скорости движения лапы vл, то преобразованием уравнений получим

                              vпср vл /2 .                                             (41)

       Тогда тяговое сопротивление вибрирующей лапы

        R = [gab(vл - vл/2) + Еab](sin + fcos)        .               (42)

Графики (рис. 16) показывают, что расчетные кривые эквивалентны экспериментальным, что подтверждает правильность полученного нами на основе реологической модели почвы уравнения тягового сопротивления рабочего органа.

 

  а  б

Рис. 16. Зависимость тягового сопротивления культиваторной лапы:

а - от скорости движения: расчетная;  экспериментальная (Н.К.Мазитов);

б - от влажности почвы:         расчетная;  экспериментальная (Н.Г.Дубровин)

1 - вибрирующая культиваторная лапа; 2 - невибрирующая культиваторная лапа;

h - высота диаграммы, показывающая значение тягового сопротивления

Разработанный способ основной обработки почвы (патент РФ на изобретение № 2220523) осуществляется рабочим органом (патент на изобретение № 2216888), содержащим комбинирующий конический винт и плоскорежущий лемех  (рис. 17).

Технологический процесс его работы заключается в следующем. Плоскорежущая лапа подрезает почвенный пласт на требуемой глубине. С этого пласта коническим многозаходным винтом почва снимается слой за слоем. Эти слои при движении по криволинейной поверхности ножей растягиваются, разрываются вследствие различия размеров и форм поверхностей частиц, различия поверхностей скольжения. Верхний слой с растительными остатками, снятый первым ножом, двигаясь по винтовой поверхности, оказывается в самом низу, самый нижний оказывается наверху, тем самым происходит перемещение почвенных слоев по вертикали.  Также происходит частичное взаимное перемешивание этих слоев. Предусматривается внесение жидких удобрений, растворов, структурообразователей и т.д. через трубки 8 и 9. Дополнительное крошение почвенных комков и их перемещение выполняются лопатками 4 и штифтами 5.

Рис. 17. Рабочий орган для основной обработки почвы:

1 - цилиндрообразный корпус; 2 - плоскорежущий лемех; 3 - конический

многозаходный винт; 4 - лопатка; 5 - штифт (пластина);  6 - привод

цилиндра; 7 - привод винта; 8 - трубка подачи структурообразователей;

9 - трубка подачи удобрений, известковых растворов и т.д.

Проход плоскорежущей лапы не должен сопровождаться сжатием почвы, условия соблюдения этого требования рассмотрены ниже.

Основным параметром, предопределяющим подъем и перемещение почвы по рабочей поверхности ножа, усилие, затрачиваемое на деформацию почвы, и качество выполнения работ является высота подъема пласта h (рис. 18.).

Рис. 18. Силовые характеристики движения клина в почве:

а - глубина обработки почвы; L - длина трещины отрыва;  l - проекция ширины клина на дно борозды; h - высота подъема пласта; - угол наклона клина; - угол трения; G - сила тяжести пласта; N - нормальная сила давления пласта на поверхность клина; Р - сила сжатия пласта; Рх , Ру - горизонтальная

и вертикальная составляющие си- 

лы Р; Рп - сила подпора почвы

Высота подъема, ширина ножа связаны между собой через угол наклона ножа к дну борозды (угол крошения): h = Нsin. При движении клина, за счет силы сжатия пласта Р, в плоскости дна борозды создаются нормальные напряжения растяжения, эпюры которых показаны на рисунке. При достижении сжимающими усилиями некоторого значения происходит разрыв связи между частицами, появится трещина, через которую будет вырываться упругая энергия сжатого пласта. Появится трещинодвижущая сила, продвигающая трещину дальше, например, на величину L. Линия отрыва на рисунке показана штриховой линией.

Условие отрыва почвы от дна борозды

                      N   вротр  ,                                               (43)

где вротр - временное сопротивление отрыву, Н/м2.

       По (рис. 18)        

                N = Gcos = qVcos ,                               (44)

где G - сила тяжести объема почвы, ограниченного линиями cdkeс, Н; q - коэффициент объемного смятия, Н/м3; V - объем почвы, м3.

За площадь поперечного сечения сжимаемой почвы без большой погрешности можно принять площадь трапеции сdknc.

Таким образом,

               N = q cos .       (45)

И минимальный угол наклона клина, при котором произойдет отрыв почвенного пласта от дна борозды и его крошение, определится из равенства

        q cos = вротр .                       (46)

Подставив в уравнение значения составляющих для тяжелосуглинистых плотных черноземов:  q = 11,6 кг/см3;  вротр = 6,37 кг/см2 и параметры обработки почвы: а = 0,3 м; Н = 0,08 м; b = 0,3 м; получим = 180. То есть, при углах наклона клина, начиная с 180, происходит сжатие почвенного пласта.

Данный вывод подтвердили и опыты на почвенном канале. При движении клиньев с углами наклона в пределах 50Е150, пласт, наползающий на наклонную поверхность, сходил с нее без сгруживания.

Расчетами установлен угол наклона лемеха для данного комбинированного рабочего органа 100.

Энергетические затраты на прохождение конического винта в почве зависят от конструктивных параметров, определяемых углом при вершине винта   и углом наклона ножей к оси винта .

Сила, продвигающая в почвенном слое конический винт, определяется величиной угла при его вершине (рис. 19):

  Р = 2 k Sбок⋅ sin γ/2 = 2 k π R lк sin γ Н ,               (47)

где k - удельное сопротивление разрыхленной почвы, k = 40102 Па; Sбок - боковая поверхность конуса, м2; R - радиус конуса, м; lк - длина образующей конуса, м; γ - угол при вершине конуса, градус.

а б

в

Рис. 19. Влияние конструктивных параметров на энергетику конического винта:

а - зависимость силы тяги винта от угла при его вершине:

  расчетная;                 экспериментальная (Gill WR);

КП - конусный показатель (отношение силы F, продвигающей конус, к площади его основания);

S - площадь основания конуса; 1 - стальной конус; 2 - тефлоновый конус

б - зависимость скорости скольжения почвы от угла наклона ножа:

                расчетная;                 экспериментальная        

в - зависимость тягового сопротивления конического винта от скорости движения

На работу конического винта влияет расположение ножей на его поверхности. При больших углах их наклона к осевой линии будет затруднено скольжение почвы по поверхности ножей, приводящее к сгруживанию почвы на винте, что повысит его тяговое сопротивление (рис.19а). Скорость скольжения почвы по поверхности ножа (рис.19б) определяется условием

                              Vск = Vcos/2fcos ,                               (48)

где f - коэффициент трения почвы о поверхность ножа.

       С увеличением рабочей скорости (рис. 19в) увеличивается тяговое сопротивление конического винта                

                      Р = 2π (abgv)sin(/2)sin ,                               (49)

где - длина образующей конического винта, м.

Глава 5. Оценка результатов исследований

Программа хозяйственной проверки разработанных технологических и технических решений предусматривала решение следующих вопросов:

- дать агротехническую и энергетическую оценку работы культиватора КБМ-15П  с вибрирующими рабочими органами для предпосевной обработки почвы;

- дать агротехническую и энергетическую оценку работы комбинированного рабочего органа для основной обработки почвы;

- дать сравнительную оценку традиционной технологии возделывания пшеницы и технологии прямого посева с применением нулевой обработки почвы.

Агротехническая (по ОСТ104.2Ц2001)  и энергетическая (по ОСТ102.2Ц2002) оценка работы культиватора КБМ-15П с вибрирующими рабочими органами (рис.20а) осуществлялась в Уральском И - СХТ при ЧГАУ. Вибрирующие культиваторные лапы по сравнению с невибрирующими культиваторными лапами КПС-4 уменьшают энергоемкость поверхностной обработки почвы на 16%. Удельная поверхность почвенного слоя, обработанного вибрирующими лапами, 120 м2/г против 89 м2/г - с невибрирующими.

Агротехническая (по ОСТ104.2Ц2001), энергетическая  (по ОСТ102.2Ц2002) оценка работы комбинированного рабочего органа (рис. 20б) производились при испытаниях на полигоне ЧГАУ и в условиях фермерского хозяйства Салават Юлаев Сосновского района Челябинской области. Почва полигона - обыкновенный тяжелосуглинистый чернозем. Влажность почвы на глубине 0Е30 см была 28Е30%.  Почвы хозяйства - выщелоченный чернозем, средний суглинок. Рельеф ровный. Влажность почвы 19,6%, твердость на глубине 20 см составила 1,03 МПа.

а б

Рис. 20. Образцы разработанной техники:

а - культиватор КБМ-15П с вибрирующими рабочими органами;

б - комбинированный рабочий орган с цилиндрообразным корпусом

Рабочий орган на испытаниях агрегатировался с трактором ДТ-75М. Скорость движения менялась в пределах 4Е8 км/час. Частота вращения конического винта - 20Е30 об/мин. Глубина обработки 30 см, ширина захвата 34 см. Получено хорошее крошение и перемешивание почвенных слоев (табл. 2,3).

Содержание почвенных фракций до 50 мм после обработки составило 70Е75%, фракций до 20 мм - 10Е15%.  Величины плотности и удельной поверхности почвенных пластов приведены в табл. 2.                

                                                                                Таблица 2

Агротехнические показатели обработанной почвы

Почвенные слои, см	Плотность, г/см3	Удельная поверхность, м2/г
0Е10	0,97	102,1
10Е20	1,12	97,3
20Е30	1,25	82,8

Результаты обработки почвенного слоя рабочим органом (см. табл. 2) показывают, что агротехнические показатели работы комбинированного рабочего органа вполне удовлетворительны. Так, плотность почвенных слоев соответствует требованиям всех полевых культур, удельная поверхность будет способствовать созданию всех режимов (водный, воздушный, тепловой, питательный) для произрастания сельскохозяйственных культур.

Энергетические показатели (измерительный регистрирующий комплекс МIC-400D) комбинированного рабочего органа в сравнении с показателями плоскорежущей лапы глубокорыхлителя и корпуса плуга выглядят предпочтительными (табл. 3).

Глубина обработки почвы всеми рабочими органами 30 см. Ширина захвата плоскорежущей лапы 50 см, плужного корпуса 35 см.

Энергетические затраты при обработке почвы комбинированным рабочим органом ниже на 15% по сравнению с плоскорезной лапой и ниже на 24% по сравнению с плужным корпусом, при лучшем качестве работы.

                                                                      Таблица 3

Показатели работы рабочих органов

Показатель	Комбинированный рабочий орган	Плоскорежущая лапа глубокорыхлителя	Корпус плуга
Тяговое сопротивление, кН	3,3	5,7	4,4
Площадь поперечного сечения обрабатываемого слоя, см2	1020	1500	1050
Удельное тяговое сопротивление, кПа	32	38	42

Удельные энергетические затраты (рис. 21) экспериментального рабочего органа  в сочетании конического многозаходного винта с плоскорежущим лемехом (2) ниже, чем у ротационного плуга ПР-2,7 (1).

Таким образом, энергоемкость обработки почвы вибрирующей культиваторной лапой и комбинированным рабочим органом снижается до 15Е24%.

Применение нулевой обработки почвы и прямого посева в ОАО Восточное дало повышение урожайности пшеницы сортов Саратовская элита, Уралочка по сравнению с традиционной технологией на 4 ц/га. Расход топлива только на весенне-полевых работах снизился на 4Е5 кг/га. 

Выполненный расчет эффективности возделывания пшеницы для ОАО Восточное показал, что: 

- топливно-энергетические затраты  по  сравнению  с традиционной 

технологией  при  минимальной техно- Рис. 21. Зависимость удельной энергоемкости

огии  ниже  на  29%,  при  технологии  от рабочих скоростей

прямого посева - на 38 %;

- расход топлива по этим технологиям возделывания ниже, чем при традиционной технологии, соответственно на 27,6 и 33,1 кг/га.

Как показали испытания культиватора КБМ-15П в АО Родник, годовой экономический эффект составил 210351,5 рублей.        

Технический уровень рабочих органов определялся расчетом критерия технического уровня по методике Украинского НИИМЭСХ. Критерий технического уровня вибрирующего рабочего органа культиватора - 2,05, комбинированного рабочего органа - 1,8. По аттестационной шкале разработанные рабочие органы относятся к категории перспективной конструкции.

На основании выполненных работ были разработаны рекомендации производству по повышению эффективности возделывания зерновых культур, применению технологии прямого посева и системы машин для ресурсосберегающих технологий.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлено, что почва представляет собой иерархическую, подвижную и саморегулируемую систему, в которой происходят естественные динамические (физико-механические) процессы, восстанавливающие ее структуру. Эти процессы идут на уровне почвенных частиц размером 10-7 Е10-6 см, где проявляется активность почвенных коллоидов, влияние сил молекулярного и ионно-электростатического происхождения и происходит взаимодействие составляющих почву фаз, что в естественных условиях вызывает подвижное состояние почвы, предотвращая ее переуплотнение. В естественных природных условиях она формирует почвенную структуру, в ней устанавливаются водный, воздушный, тепловой и питательный режимы. С учетом этого должны строиться механические и технологические воздействия на почву.

2. Установлен механизм процесса саморазрыхления почвы в естественном состоянии, заключающийся в том, что в почве за счет взаимодействия между её частицами, их колебательного движения, взаимодействия фаз, адсорбции водяных паров из окружающей среды и почвы происходит разрыв связей между частицами почвы. Саморазрыхлению способствуют почвенная вода, почвенный воздух и воздействие окружающей среды. Саморазрыхление почвы происходит также за счет  процессов ее увлажнения и высыхания, промерзания и оттаивания, за счет разрыхляющих и роющих действий корней растений, микроорганизмов и червей. Это обеспечивает возможность осуществлять прямой посев семян без многократных технологических воздействий на почву, сократить энергетические затраты. Механизм процесса саморазрыхления почвы является научной основой ресурсосберегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур.

3. Выдвинута и подтверждена гипотеза о наличии в почвенной системе четвертой, плазменной фазы - фазы почвенного раствора. На этой основе, из условия образования почвенного раствора (его энергетические характеристики: степень электрической диссоциации 44,9%; удельная электропроводность 1472 См/м; концентрация 1,33 г/л; содержание нитратов 183 мг/л; рН - 8,9), требуемого для роста и развития сельскохозяйственных культур, установлено, что комплексным агротехническим показателем качества обработки почвы является её удельная поверхность.  За агротехнически необходимую удельную поверхность принята удельная поверхность черноземов в естественном рыхлом сложении - 130 м2/г. Действительная удельная поверхность черноземов степных зон находится в пределах 90 м2/г.

4. Установлено, что обработка почвы проходит в скоростном режиме, при котором количество факторов, влияющих на процесс, не постоянно, а величина и направление силовых факторов меняются ежесекундно. В этих условиях определение разрушающей почву силы не корректно. Целесообразно определять энергию, расходуемую на разрушение (крошение) почвы, и по её величине оценивать эффективность механического воздействия на почву.

5. Определено, что для крошения почвенного пласта плотностью 1,5 г/см3 требуется затратить 436 кДж. Сила сжатия, обеспечивающая такую энергию крошения, равна 6045 Н и возникает при скоростях движения более 14 км/ч, что недоступно для рабочих органов, работающих на принципе сжатия почвенного пласта и не обеспечивающих агротехнически необходимую удельную поверхность обработки.

6. Предложено уравнение тягового сопротивления рабочего органа, определяющее расход энергии на обработку единицы объема почвы в зависимости от конструктивно-режимных параметров рабочего органа, оцениваемых скоростным коэффициентом и К.П.Д. орудия, и состояния обрабатываемого пласта почвы, оцениваемого коэффициентом его деформации.

7. Разработана реологическая модель почвы, отражающая ее трехуровневую и трехфазную структуру и обеспечивающая возможность количественной сравнительной оценки различных принципов воздействия на почву. Модель объясняет необходимость применения при обработке почвы принципов растяжения и вибрации почвенного пласта, обеспечивающих снижение энергетических затрат до 30%, и показывает, что почва обладает структурной вязкостью.

8. Установлено, что структурная вязкость почвы - величина переменная. На начальном этапе механического воздействия почва обладает максимальной вязкостью. К концу воздействия структура почвы нарушается, и вязкость становится минимальной, что объясняет  целесообразность и необходимость разработки рабочих органов с переменной формой и геометрией поверхностей скольжения почвы, комбинированных рабочих органов и приемов предварительного рыхления почвы.

9. Расчеты показывают, что продолжительность весенне-полевых работ и энергетические затраты на возделывание зерновых культур с применением технологии прямого посева значительно меньше, чем при традиционной технологии. Установлено, что при прямом посеве почва ежегодно теряет азот с различной интенсивностью, в зависимости от севооборотов, а питательные вещества с годами накапливаются в верхнем (5Е7 см) слое, обедняя нижние слои. Поэтому для взаимного перемешивания почвенных слоев, заделки растительных и послеуборочных остатков, обогащения нижних слоев питательными веществами и уничтожения сорной растительности следует проводить периодическую (один раз в три-четыре года) основную обработку почвы с оборотом пласта.        

10. Разработаны технические средства, обеспечивающие щадящее воздействие на почву и снижение энергетических затрат на её обработку:

Ц  для основной обработки почвы - комбинированный конический винтовой рабочий орган на принципе растяжения пласта (угол крошения плоскорежущего лемеха 100; диаметр основания конуса 0,30 м; длина образующей конуса 0,44 м; угол при вершине винта 400; угол наклона ножей на конической поверхности 300; число ножей 4; высота ножей 0,05 м);

Ц  для поверхностной обработки почвы - установлены форма упругой стойки и рабочие параметры вибрирующей культиваторной лапы: частота колебаний 20Е45 с-1; амплитуда колебаний 12Е20 мм; коэффициент упругости пружинной стойки 8Е15 Н/мм.

11. Проведена агротехническая и энергетическая оценка работы культиватора с вибрирующими лапами и комбинированного рабочего органа, показавшая, что:

- удельная поверхность обработанного вибрирующими культиваторными лапами почвенного слоя составила 112 м2/г. Энергетические затраты при поверхностной обработке почвы вибрирующими культиваторными лапами снижаются на 16% по сравнению с невибрирующими;

- удельная поверхность почвенного слоя, обработанного комбинированным рабочим органом, глубиной 0Е30 см находится в пределах 102Е83 м2/г, плотность верхнего слоя до 10 см составляет около 0,97 г/см3. Энергетические затраты снижаются на 24% по сравнению с плугом.

12. Применение нулевой технологии обработки почвы при возделывании зерновых культур в степной зоне Челябинской области позволяет снизить топливно-энергетические затраты на 29Е38%, по сравнению с традиционной технологией, а расход топлива на 27,6Е33,5 кг/га; только на проведение весенне-полевых работ при прямом посеве топлива расходуется меньше, чем при обычном посеве, на 4Е6 кг/га, при этом урожайность зерновых возрастает на 3Е4 ц/га.

13. Директивными органами одобрены и рекомендованы к применению рекомендации производству по внедрению энергосберегающих технологий обработки почвы и рабочих органов для их реализации, разработанные на основе выполненных исследований. 

  Основное содержание диссертации опубликованы в следующих работах:

Патенты на изобретение:

1. Патент РФ №2220523. Способ обработки почвы /Бледных В.В., Рахимов Р.С., Мамбеталин К.Т., Одинцов В.Д.; заявитель и патентообладатель Челябинский государственный агроинженерный университет. Ц  №2002116183; заявл. 19.06.2002; опубл. 10.01.2004, Бюл. №1. - 7с.

       2. Патент РФ № 2216888. Рабочий орган для обработки почвы /Бледных В.В., Рахимов Р.С., Мамбеталин К.Т., Пашнин В.Н.; заявитель и патентообладатель Челябинский государственный агроинженерный университет. - №2002116132; заявл. 19.06.2002; опубл. 27.11.2003, Бюл. №33. - 7с.

Монографии:

1. Мамбеталин К.Т. Почва и ее тайны: монография. - Челябинск, 2000. - 100 с.

2. Мамбеталин К.Т. Энергетические основы почвообработки: монография. - Челябинск, 2002. - 104 с.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Мамбеталин К.Т. Реологическая модель почв // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2006. - № 6. - С. 14-16.

       2. Мамбеталин К.Т. Механизм саморазрыхления почвы // Аграрная наука. Ц2006. - № 2. - С.11-13.

       3. Мамбеталин К.Т. Об агротехнической оценке качества обработки почвы // Аграрная наука. - 2006. - № 5. - С. 10-13.

       4. Мамбеталин К.Т. Длительность применения нулевой технологии // Достижения науки и техники в АПК. - 2006. - №5. - С. 30-31.

       5. Мамбеталин К.Т., Нуралиев Б.К. Орудие для основной обработки почвы // Сельский механизатор. - 2007. - №4. - С. 48-49.

       6. Мамбеталин К.Т. Энергия крошения почвы // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - № 5. - С.29-30.

       7. Мамбеталин К.Т. и др. Методологические подходы моделирования технологических систем уборки зерновых культур // Вестник Красноярской ГАС. - №4. - Красноярск. - 2008. - С.207-210.

       8. Мамбеталин К.Т. Влияние схемы обработки почвы на тяговое сопротивление рабочего органа // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009.Ц  №1. - С.8.

       9. Мамбеталин К.Т. Почва в свете квантовой механики //Аграрная наука. - 2011. - №8. - С.  (в печати).

10. Нестяк В.С. Обработка почвы при прямом посеве /Нестяк В.С., Мамбеталин К.Т. //Вестник Алтайского ГАУ. - 2011. - №10. - С.  (в печати).

11. Нестяк В.С. Механико-технологические аспекты энергетики обработки почвы /Нестяк В.С., Мамбеталин К.Т. //Вестник Алтайского ГАУ. - 2011. - №10. - С.  (в печати).

12. Мамбеталин К.Т. Тепловая энергия в почвенных слоях //Аграрная наука. - 2011. - №9. - С. (в печати).

       13. Мамбеталин К.Т. К выбору принципа воздействия на почву при ее обработке для снижения ее энергоемкости // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - №9. - С.  (в печати).

       Публикации в материалах конференций и сборниках научных трудов:

1. Мамбеталин К.Т. К вопросу обоснования конструктивной схемы комбинированных почвообрабатывающих посевных агрегатов для условий Северного Казахстана // Вестник ЧГАУ. - Челябинск. - 1997. - Т.21. - С. 66-70.

2. Мамбеталин К.Т. Оптимизация комбинированного почвообрабатывающе-посевного агрегата // Вестник ЧГАУ. - Челябинск. - 1998. - Т.25. - С. 65-67.

3. Мамбеталин К.Т. Энергетические основы почвообработки (статья) //Труды ЧГАУ: тезисы докладов на ХL науч.-техн. конф. /Челябинск. - 2000. - С. 132-133. 

4. Мамбеталин К.Т. Оценка структуры почвы // Вестник ЧГАУ. - Челябинск. - 2001. - Т.33. - С. 146-148.        

       5. Нестяк В.С. К вопросу снижения энергоемкости обработки почвы /Нестяк В.С., Мамбеталин К.Т. //Актуальные вопросы научного обеспечения производства сельскохозяйственной продукции в Сибири: материалы междунар. науч.-практ. конф. (Новосибирск, 26-27 мая 2011 г.) /СибИМЭ. - Новосибирск. - 2011. - С. (в печати).

6. Нестяк В.С. К основной обработке почвы при нулевой технологии /Нестяк В.С., Мамбеталин К.Т. //Диверсификация растениеводства и No-Till как основа сберегающего земледелия и продовольственной безопасности страны: сб. докл. междунар. конф., посвященной 20-летию Независимости Республики Казахстан, 23-24 июля 2011 г. - Астана-Шортанды. - 2011. С.206-211.

Рекомендации для науки, производства и образования:

1. Оценка результатов мониторинга за состоянием почвы при систематическом воздействии различных рабочих органов почвообрабатывающих машин / Рахимов Р.С., Кокорин А.Ф., Мамбеталин К.Т. и др. // Научный отчет. - Х/д №36-97. ЦЧелябинск. - 1998.

       2. Совершенствование конструкции комбинированного универсального почвообрабатывающего посевного агрегата ППАБМ-14,7 для предпосевной обработки почвы и посева зерновых культур с разработкой конструкции бункера и высевающих аппаратов для одновременного внесения минеральных удобрений /Бледных В.В., Рахимов Р.С., Мазитов Н.К., Мамбеталин К.Т. и др. // Научный отчет. № ГР 01.2.00612878. - Х/д №6-07. - Челябинск. - 2006.

3. Мамбеталин К.Т. Рекомендации по повышению эффективности возделывания сельскохозяйственных культур. - Челябинск. - 2006. - 39 с.

Подписано к печати  ______  2011 г.

Формат 60х84 1/16. Объем 2,0 уч. -изд. л.

Тираж 100 экз.  Заказ №

УОП ЧГАУ

454080, г.Челябинск, пр. В.И.Ленина,75

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям