Механико-технологические основы снижения энергоемкости обработки почвы
| Вид материала | Автореферат |
- «Проектирование структуры посевных площадей, системы севооборотов, обработки почвы, 906.62kb.
- Осенняя обработка почвы для сахарной свеклы, 93.47kb.
- Примерная программа наименование дисциплины общее земледелие рекомендуется для направления, 130.8kb.
- Физико-технологические основы новых способов термической обработки высокопрочного чугуна, 72.96kb.
- Механико-технологические основы повышения эффективности процесса центробежной очистки, 652.28kb.
- Рабочей программы учебной дисциплины (модуля) Основы математической обработки информации, 44.43kb.
- Агрегат для минимальной обработки почвы акм, 18.55kb.
- Агроэкономическое обоснование севооборотов и обработки почвы в сзао емельяновское Емельяновского, 360.03kb.
- Агротехнические требования, 123.61kb.
- Рабочая программа По дисциплине «Основы обработки визуальной информации» По специальности, 230.56kb.
– 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 29…38% по сравнению с традиционной технологией, повысить урожайность зерновых на 3…4 ц/га и снизить расход топлива на 4…5 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 4…5 кг/га, а урожайность повысилась на 2…4 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 2…2,5 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:
– 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;
– положение о наличии в почвенном слое фононного газа, осуществляющего перенос тепла и влаги, обладающего энергией, энтропией;
– гипотеза о наличии в составе почвы четвертой, плазменной фазы - фазы почвенного раствора;
– удельная поверхность почвенных частиц как агротехнический показатель ее структуры;
– 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 1,42…1,44 г/см3, а пористость уменьшается на 9…12%; 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 9…12 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 -1…10 -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-
н
о 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.