Results of the Study of Using the Experimental Sample of the Deep Ripper Tool on Overconsolidated Soil

Full Text

Введение

Согласно Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 28 февраля 2024 г. № 145¹, в современных условиях ключевым фактором экономики является разработка наукоемкой продукции на собственной технологической основе. При этом возрастание антропогенных нагрузок на почву, масштаб которых приводит к ее деградации, обусловленной переуплотнением, является одной из наиболее значимых проблем для науки и техники.

Деградация характеризуется изменением свойств почвы в результате избыточных нагрузок при всех видах землепользования, разрушающих почвенный покров, ухудшающих его физическое состояние и агротехнические показатели процесса. При этом наблюдается ухудшение водно-воздушного режима, условий существования почвенной биоты, что является основанием для усиления эрозионных процессов.

Одной из причин переуплотнения почвы является постоянное применение отвальной обработки почвы на одну и ту же глубину [1]. Переуплотнение почвы при отвальной обработке способствует уменьшению пористости и влагопроницаемости. Чрезмерное уплотнение пласта приводит к ускоренной аридности пахотного слоя, что в свою очередь в условиях недостаточного увлажнения ведет к иссушительной деградации почвы. Переуплотнение возникает при недостатке органического вещества и влаги. В зоне недостаточного увлажнения процессы минерализации гумуса превалируют над его образованием, поэтому переуплотнение приводит к увеличению объемной массы почвы (плотности почвы). Слой почвы, расположенный ниже вспаханного отвальным плугом, имеет более плотное сложение и распыленность почвенной массы.

На переуплотненных почвах возникает необходимость глубокого рыхления почвы на большую глубину, чем глубина пахотного слоя. При этом увеличение глубины обработки почвы приведет к повышению энергозатрат. Решение этой проблемы состоит в использовании безотвальных глубокорыхлителей [2].

Целью данного этапа исследований является синтез элементно-агрегатных компонентов рабочего органа глубокорыхлителя для качественной обработки почвы.

Обзор литературы

Одним из критериев энергоэффективности является наименьшее тяговое сопротивление рабочего органа глубокорыхлителя [3]. Глубокое рыхление относится к наиболее энергоемким технологическим операциям [4], что связано с конструктивными особенностями рабочих органов для глубокого рыхления, в задачи которых входит качественное крошение чрезмерно уплотненного слоя почвы. Рабочие органы при этом подвергаются высокому сопротивлению почвы, что является следствием роста их тягового сопротивления. Необходимо обоснование конструкции в части снижения тягового сопротивления рабочих органов глубокорыхлителя.

При безотвальном рыхлении энергозатраты меньше на 30 %, чем при отвальной обработке почвы [5]. Поэтому почвоуглубление с разуплотнением необходимо осуществлять безотвальными рабочими органами.

По мнению исследователей [6], снижение тягового сопротивления возможно за счет обеспечения роста интенсивности деформации пласта почвы при его обработке, обусловленного особенностями конструкции рабочего органа. Интенсивность деформаций пласта повышается от заданного колебательного процесса элементов рабочего органа при его взаимодействии с переуплотненной почвой.

В работе [7] установлено, что при использовании вибрационного рабочего органа глубокорыхлителя тяговое сопротивление уменьшается на 21 %. Затраты энергии на крошение пласта почвы зависят от конфигурации режущей кромки рабочего органа.

Авторами [8; 9] отмечается высокая энергоэффективность рабочих органов криволинейной формы по критерию минимума тягового сопротивления по сравнению с прямолинейным. При этом, согласно заключению ученых [10], вариативность кривизны рабочего органа позволяет обрабатывать почву различной твердости с требуемыми энергетическими показателями процесса.

Классическим рабочим органом для глубокой безотвальной обработки почвы является плоскорезная лапа с долотом. Необходимо взять за основу классический рабочий орган и произвести его усовершенствование конструкции. В качестве основного рабочего органа для глубокого рыхления авторы [11] предлагают использовать плоскорезные лапы с углом раствора 120°. Ученые также выделяют ряд недостатков, которые имеют плоскорезные лапы.

По результатам исследования [12], оснащение рабочего органа глубокорыхлителя крыльями в виде плоскорезов приводит к заметному повышению тягового сопротивления. Также, используемые в качестве рабочих органов глубокорыхлителя плоскорезные лапы, согласно работе [13], характеризуются недостаточно высоким качеством работы, в частности, наличием глыб в обработанном пласте почвы. При этом авторами [14; 15] установлено, что увеличение процесса образования глыб наблюдается на сухих почвах. Другим недостатком качества процесса обработки сухой суглинистой почвы является увеличение плотности и образование уплотненной зоны в нижних горизонтах пласта [16].

В исследовании [17] установлено, что наличие уплотненных зон в нижних горизонтах обрабатываемого пласта приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Таким образом, необходимо разуплотнение этих горизонтов пласта путем применения глубокорыхлителей [18]. Глубокорыхлители при этом должны качественно разуплотнять плужную подошву.

Разуплотнение нижних горизонтов пласта (плужной подошвы) является одним из основных условий плодородия почвы [19]. Из анализа результатов исследования, выполненного авторами [20], следует, что плужная подошва может залегать на глубине от 10 до 40 см. В материалах другого исследования [21] приведена средняя глубина плужной подошвы 35 см при плотности до 2,58 г/см³. Исследование механизмов образования плужной подошвы позволило авторам [22] сделать вывод о наличии глыбистой структуры почвы ниже горизонта уплотненной зоны, состоящей из мелкодисперсной пылевидной фракции.

Образование плужной подошвы свидетельствует о деградации почвы [23]. При этом наглядными признаками деградации почвы в данном случае являются переуплотнение пласта, снижение пористости и повышение глыбистости с распылением верхнего слоя [24]. Распыление почвы приводит к часто встречающемуся типу деградации почвы – ветровой эрозии [25; 26], одной из профилактических мер предотвращения которой является создание мульчирующего слоя на поверхности поля дополнительными ротационными рабочими органами с пассивным приводом.

Мульчирующая поверхность на поле создается из измельченных и уплотненных пожнивных и иных растительных остатков, перемешанных с верхним мелкокомковатым слоем почвы. Наличие мульчирующего слоя на поверхности поля является одним из исходных требований к глубокой безотвальной обработке почвы [27].

В исследовании [28] установлено, что наличие мульчирующего слоя на поверхности поля, состоящего из измельченных растительных остатков и раскрошенной почвы, способствует сохранению влаги внутри пласта и повышению урожайности сельскохозяйственных культур. Рабочие органы для создания мульчирующего слоя должны обеспечивать высокую степень крошения глыб на поверхности поля.

Материалы и методы

За основу разрабатываемой конструкции глубокорыхлителя была взята конструкция чизеля в виде стойки с долотом. Однако нижний слой пласта часто характеризуется чрезмерной уплотненностью. В результате взаимодействия с долотом глубокорыхлителя нижний слой скалывается в виде крупных фрагментов (глыб), которые необходимо подвергать дополнительному измельчению. Глыбы необходимо извлечь в верхние слои пласта и на поверхность поля для взаимодействия с дополнительными рабочими органами приспособления с целью улучшения крошения и выравнивания, функционирующего на глубине до 8–10 см. Таким образом, необходимо оснастить долото глубокорыхлителя элементами для извлечения глыб изнутри пласта на поверхность поля ради последующего измельчения. В качестве элементов для извлечения глыб изнутри пласта на поверхность поля с целью последующего измельчения конструкция экспериментального рабочего органа глубокорыхлителя оснащена прутками. Экспериментальный образец рабочего органа глубокорыхлителя (рис. 1) состоит из долота 1, закрепленного на стойке 2, соединенного с плоскорезными лапами 3, задняя торцевая часть которых продолжена прутками 4, установленными на расстоянии друг от друга в горизонтальной плоскости.

 

Рис. 1. Рабочий орган глубокорыхлителя: a) схема рабочего органа глубокорыхлителя:
1 – долото; 2 – стойка; 3 – плоскорезная лапа; 4 – прутки; b) общий вид рабочего органа глубокорыхлителя

Fig. 1. The deep ripper tool: a) diagram of the deep ripper tool: 1 – chisel; 2 – stand; 3 – sweep; 4 – rods; b) general view of the deep ripper tool

Источник: a) схема составлена авторами статьи; б) фотография сделана Г. Г. Пархоменко при полевом испытании в 2024 г.
Source: a) the diagram was drawn up by the authors of the article; b) the photo was taken during field testing by G. G. Parkhomenko in 2024.

 

Рабочий орган имеет конструктивную ширину захвата в сборе 380 мм (без прутков – 320 мм), угол крошения долота составляет 30°, угол раствора плоскорезной лапы – 90°, высота прутка – 40 см.

Прутки выполнены по форме циклоиды с параметром t°, образуемой наименьшей длиной траектории глыбы при перемещении со дна борозды, обработанной на глубину a м, на поверхность почвы:

$l_{\text{прутка}}=2a\cdot \left|\sin \frac{t}{2}\right|,0\le t\le \pi .$

Определение показателей технологического процесса рабочего органа глубокорыхлителя осуществлялось по стандартным и оригинальным методикам. Стандартные методики устанавливались на основании ГОСТ 20915-2011², ГОСТ 24055-2016³, ГОСТ 5180-2015⁴, ГОСТ 33736-2016⁵. Оригинальной является методика определения глыбистости, заключающаяся в разборе фракций почвы вручную и послойного учета глыб размером более 100 мм по горизонтам с помощью палетки. Палетка размером 0,5×0,5 м² выполнена из металлической сетки с ячейками в виде квадрата со стороной 5 см.

Плотность почвы определяют в тех же местах, где отбирают пробы буром на влажность. Для определения данного показателя внутри пласта верхний горизонт снимается осторожным раскапыванием, бур заглубляется в дно полученного приямка как в поверхностный слой почвы. Полученные пробы почвы плотно упаковываются для определения в лабораторных условиях влажности W и массы m_вл.п..

Объем V почвы с ненарушенным сложением определяют по формуле:

$V=\frac{\pi \cdot D^2}{4}\cdot h,$  

где D, h – диаметр, высота бура соответственно, см.

Плотность $\gamma$ почвы определяется по формуле:

$\gamma =\frac{m_{\text{вл.}\text{\hspace{0.33em}п.}}\cdot 100}{\left(100+W\right)\cdot V},$  

где m_вл.п. – масса влажной почвы, г. Зная плотность $\gamma$ г/см³ почвы, можно определить ее порозность (ПОР, %) по формуле:

$\text{ПОР}=\left(1-\frac{\gamma }{{\gamma }_{\text{тв.}\text{\hspace{0.33em}ф.}}}\right)\cdot \mathrm{100,}$  

где ${\gamma }_{\text{тв.}\text{\hspace{0.33em}ф.}}$ – плотность твердой фазы почвы ${\gamma }_{\text{тв.}\text{\hspace{0.33em}ф.}}=\mathrm{2,7}\frac{\mathrm{г}}{{\text{см}}^3}.$ 

Для получения показателей тягового сопротивления, создаваемого рабочим органом при различных режимах функционирования, использовались измерительная тезометрическая система ZET 058 производства Зеленоградской электро-технической лаборатории ZETLAB с подключением тензодатчика ТЕНЗО-М С2Н-2-С3, монтируемого на экспериментальной установке, и персональный компьютер.

Результаты исследования

Исследования проводились по следующим фонам: стерня без обработки (С), дискованная стерня (ДС), черный пар (ЧП). Фон ДС располагался на том же поле, что и С, после дискования в один след и выпадения осадков. Исследования по фонам ДС и ЧП проводились одновременно (в течение одного дня).

Влажность почвы соответствовала норме (до 30 %) и составила по фонам С, ДС и ЧП 7,35–15,83 %, 12,90–14,15 % и 14,65–20,10 % соответственно. Следует отметить большую степень промачивания почвы по фону ЧП после выпадения осадков, при этом на поверхности поля наблюдались следы водной эрозии. Также заметна пересушенность верхних горизонтов почвы по фону С, который исследовался до выпадения осадков.

Твердость почвы до обработки представлена в таблице 1.

 

Таблица 1. Твердость почвы до обработки по фонам и горизонтам, МПа

Table 1. Soil hardness before processing by background and layers, MPa

Фон / Background	10 см / cm	20 см / cm	30 см / cm	40 см / cm
Стерня без обработки / Stubble without processing	2,174	2,946	3,968	4,416
	2,330	2,882	3,951	4,458
	2,431	2,963	3,978	4,521
Среднее / Average	2,312	2,930	3,966	4,465
Дискованная стерня / Disked stubble	2,001	3,830	4,051	4,989
	2,208	3,547	5,175	4,968
	2,036	3,760	5,072	4,760
Среднее / Average	2,082	3,712	4,766	4,906
Черный пар / Autumn fallow	1.414	1,208	1,518	1,622
	1,276	1,518	1,760	1,794
	1,414	1,760	1,587	1,898
Среднее / Average	1,368	1,495	1,622	1,771

 

По анализу твердости почвы до обработки следует отметить соответствие норме (до 4 МПа) по всем фонам на глубине 10 и 20 см (в среднем 1,368–3,712 МПа), по С также на 30 см (3,966 МПа), по ЧП на 30 см (в среднем 1,622 МПа) и на 40 см (в среднем 1,771 МПа). По фону С на глубине 40 см твердость также близка к требуемой, с незначительным ее превышением (в среднем 4,465 МПа). По фону ДС в горизонтах 30 см (в среднем 4,766 МПа) и 40 см (в среднем 4,906 МПа) твердость почвы превышает норму (до 4 МПа), что обусловлено воздействием на пласт дисковых рабочих органов, поскольку на необработанной стерне (С) этого не наблюдалось.

Помимо анализа твердости и влажности почвы, характеристиками условий проведения исследования показателей технологического процесса, выполняемого рабочим органом глубокорыхлителя (СТО АИСТ 4.6-2018), отмечены ровный рельеф обрабатываемых полей (уклон не более 8°) с микрорельефом продольным 2 см, поперечным 3 см и высотой растительных и пожнивных остатков менее 25 см.

Плотность почвы не входит в перечень обязательных агротехнических показателей для определения качества работы глубокорыхлителей, поэтому определялась только для фонов ДС и ЧП, сравнение которых адекватно ввиду одновременного получения данных. По указанным фонам плотность почвы до обработки составила 1,37–1,61 г/см³ (ДС) и 1,25–1,66 г/см³(ЧП). Полученные данные свидетельствуют о сильно уплотненном пласте, требующем разрыхления.

Перемещение почвы внутри пласта после прохода рабочего органа можно проследить по изменению абсолютной влажности. Абсолютная влажность почвы до обработки на фоне С свидетельствует о пересушенности пласта в верхних горизонтах (0–10 и 10–20 см): 7,35–8,35 %. Нижний горизонт на глубине до 30 см характеризовался незначительной увлажненностью: 15,30–15,85 %.

После прохода глубокорыхлителя с прутками на глубину 30 см на фоне С внутри пласта установилась абсолютная влажность, совпадающая с нижним горизонтом необработанной почвы (15,30–15,70 %), что свидетельствует о перемещении слоев в процессе рыхления (табл. 2).

 

Таблица 2. Абсолютная влажность почвы стерни без обработки

Table 2. Absolute soil moisture (background stubble without processing)

Обработка / Processing	Значение / Value
	Фактическое / Actual			Допуск / Admission
До обработки в горизонте, см: / Before processing in the layer, cm: 0–10 10–20 20–30				До 30 % / To 30%
	7,35	7,85	8,35
	8,25	8,25	7,45
	15,85	15,80	15,30
После прохода глубокорыхлителя с прутками в горизонте 0–30 см / After the passage of the deep ripper with rods in the layer 0–30 cm	15,30	15,70	15,40

 

В связи с вышеизложенным на обработанном фоне (ДС) принято решение более детального исследования влажности после прохода глубокорыхлителя с прутками (глубина 40 см) с определением плотности и порозности, а также сравнения полученных данных с результатами по черному пару.

Анализ результатов (фон ДС) также свидетельствует о перемещении влажных слоев почвы в верхние горизонты после прохода глубокорыхлителя: влажность почвы с 13,20–13,25 % увеличилась до 16,80–17,40 % на глубине 0–10 см и с 12,90–13,85 % до 15,25–15,90 % на 10–20 см. Влажность в нижних горизонтах пласта остается постоянной: 14,0 % до – 14,40 после на 20–30 см и 14,10 % до – 14,98 % после на 30–40 см в среднем.

При этом долото глубокорыхлителя скалывает комки почвы из горизонта ниже заданной глубины обработки (40 см) и выносит их в поверхностные слои. Этим объясняется превышение влажности почвы после обработки (табл. 3).

Негативной стороной данного процесса является высокая вероятность испарения влаги с поверхностных слоев почвы, сохранность которой обеспечивалась внутри пласта. С другой стороны влага становится доступной, а извлечь ее из уплотненного комка, расположенного ниже 40 см, посредством гидротропизма корневой системы невозможно.

Непроизводительный расход влаги с поверхности поля пресекается посредством создания мульчирующего слоя ротационными рабочими органами, расположенными непосредственно за стойкой основных, для дополнительной обработки.

Таблица 3. Абсолютная влажность почвы (фон дискованная стерня)

Table 3. Absolute soil moisture (background disked stubble)

Обработка / Processing	Горизонт, см / Layer, cm	Фактическое значение / Actual value			Среднее / Average	Допуск / Admission
До обработки / Before processing	0–10	13,20	13,25	13,30	13,25	До 30 % / To 30%
	10–20	13,85	12,90	13,70	13,48
	20–30	14,00	14,00	14,00	14,00
	30–40	14,15	14,10	14,05	14,10
После обработки / After processing	0–10	17,40	16,80	17,20	17,13
	10–20	15,35	15,90	15.25	15,50
	20–30	13,35	14,90	14,95	14,40
	30–40	15,10	15,10	14,75	14,98

 

По фону ЧП наблюдается аналогичная картина (табл. 4): влажность почвы в горизонтах 20–30 и 30–40 см остается практически неизменной после обработки (с 19,43 до 19,98 % и с 19,70 до 19,02 % в среднем соответственно), а в горизонтах 0–10 и 10–20 см повышается за счет извлечения комков на поверхность (с 14,93 до 20,47 % и с 18,13 до 20,03 % в среднем соответственно).

 

Таблица 4. Абсолютная влажность почвы (фон черный пар)

Table 4. Absolute soil moisture (background autumn fallow)

Обработка / Processing	Горизонт, см / Layer, cm	Фактическое значение / Actual value			Среднее / Average	Допуск / Admission
До обработки / Before processing	0–10	14,65	14,75	15,40	14,93	До 30 % / To 30%
	10–20	18,05	18,10	18,25	18,13
	20–30	19,45	19,55	19,30	19,43
	30–40	20,10	19,15	19,85	19,70
После обработки / After processing	0–10	20,35	20,05	21,0	20,47
	10–20	20,55	19,85	19,70	20,03
	20–30	19,50	20,30	20,15	19,98
	30–40	18,70	19,70	18,65	19,02

 

Следует отметить большой запас влаги в подпахотном уплотненном горизонте почвы на фоне ЧП по сравнению с ДС.

Перемещение глыб на поверхность поля, образуемых при взаимодействии рабочего органа с плужной подошвой, расположенной на глубине не менее 20 см, осуществляется с помощью прутков. Это подтверждается сравнением распределения глыб по горизонтам после прохода глубокорыхлителя без прутков и с прутками (табл. 5).

 

Таблица 5. Глыбистость по горизонтам глубокорыхлителя

Table 5. Lumpiness by layers for a deep ripper

Фон / Background	Горизонт почвы, см / Soil layer, cm	Глыбистость: количество комков  крупнее 100 мм, шт./м2 глубокорыхлителя с прутками/без прутков при скорости, м/с и глубине, см / Lumpiness: number of lumps larger than 100 mm, pcs/m2 of subsoiler with rods/without rods at speed, m/s and depth, cm
		1,81			2,37			2,93
		30	35	40	30	35	40	30	35	40
Стерня / Stubble	0–10	1/0	1/0	2/0	3/2	2/0	3/1	1/0	3/0	1/0
Дискованная стерня / Disked stubble		2/0	2/0	1/1	1/0	1/1	2/1	2/0	3/0	2/0
Черный пар / Automn fallow		3/0	3/0	3/0	1/0	2/0	2/0	3/0	1/0	1/0
Стерня / Stubble	10–20	1/0	0/0	0/0	1/0	1/0	1/0	0/0	1/0	1/0
Дискованная стерня / Disked stubble		0/0	1/0	1/0	1/0	0/0	0/0	0/0	0/0	0/0
Черный пар / Automn fallow		1/0	0/0	1/0	0/0	0/0	0/0	0/0	0/0	0/0
Стерня / Stubble	20–30	0/4	0/2	0/1	0/0	0/3	0/3	0/1	0/1	0/1
Дискованная стерня / Disked stubble		0/0	0/0	1/0	0/2	0/0	0/0	0/0	0/1	0/2
Черный пар / Autumn fallow		0/1	0/1	0/2	0/1	1/2	0/1	0/2	0/1	0/1
Стерня / Stubble	30–40	0/0	0/1	0/3	0/1	0/0	0/0	0/2	0/4	0/2
Дискованная стерня / Disked stubble		0/1	0/2	0/1	0/1	0/2	0/1	0/2	0/1	0/1
Черный пар / Autumn fallow		0/0	0/1	0/0	0/2	0/0	0/0	0/0	0/1	0/2

 

Следует отметить, что при наличии прутков в конструкции рабочего органа, глыбы сосредоточены в основном в верхнем горизонте обработанного пласта (0–10 см), а при их отсутствии – в нижних горизонтах (20–30 и 30–40 см).

При отсутствии прутков в конструкции глубокорыхлителя глыбы крупнее 100 мм остаются недоступными дополнительному приспособлению для крошения (рис. 2, 3).

 

Рис. 2. Определение глыбистости в горизонте 20–30 см после прохода глубокорыхлителя без прутков

Fig. 2. Determination of lumpiness in the 20–30 cm layer after passing a deep ripper without rods

Источник: здесь и далее фотографии сделаны Г. Г. Пархоменко при полевом испытании в 2024 г.
Source: hereinafter in the article the photos were taken during field testing by G. G. Parkhomenko in 2024.

Рис. 3. Определение глыбистости после прохода рабочего органа  глубокорыхлителя с прутками:
a) горизонт 0–10 см; b) горизонт 10–20 см; c) горизонт 20–30 см

Fig. 3. Determination of lumpiness after passing the deep ripper tool with rods:
a) layer 0–10 cm; b) layer 10–20 cm; c) layer 20–30 cm

 

Следует отметить, что до обработки почва была сильно уплотненной во всех горизонтах (1,25–1,66 г/см³), то есть плотность составляла выше 1,25 г/см³.

По результатам анализа плотности почвы после обработки глубокорыхлителем с прутками фона ДС наблюдается рыхлый слой (0,90–0,95 г/см³) на 0–10 и 10–20 см (0,59 и 0,81–0,82 г/см³ соответственно).

На фоне ЧП рыхлым после обработки является только слой 0–10 см (0,76–0,77 г/см³), а глубжележащий 10–20 см – уплотненный (1,22–1,23 г/см³), с интервалом данной характеристики физико-механических свойств 1,15–1,25 г/см³. На обоих исследуемых фонах отсутствуют слои нормальной плотности (0,95–1,15 г/см³).

Нижние слои 20–30 и 30–40 см на обоих фонах являются сильно уплотненными (табл. 6). Их плотность превышает 1,25 г/см³ (на 20–30 см 1,69–1,71 г/см³ и 1,82–1,83 г/см³; на 30–40 см 1,85 г/см³ и 1,75–1,77 г/см³ для ДС и ЧП соответственно).

Таблица 6. Плотность почвы до и после прохода глубокорыхлителя с прутками

Table 6. Soil density before and after the passing of a deep ripper with rods

Фон / Background	Горизонт, см / Layer, cm	Фактическое значение / Actual value			Рекомендуемое значение / Recommended value
Дискованная стерня до / Disked stubble before	0–10	1,37	1,37	1,37	0,90–0,95 г/см3 – рыхлый; 0,95–1,15 г/см3 – нормальной плотности; 1,15–1,25 г/см3 – уплотненный; свыше 1,25 г/см3 – сильно уплотненный / 0.90–0.95 g/cm3 – loose; 0.95–1.15 g/cm3 – normal density; 1.15–1.25 g/cm3 – compacted; over 1.25 g/cm3 – highly compacted
	10–20	1,46	1,47	1,46
	20–30	1,50	1,50	1,50
	30–40	1,60	1,61	1,61
Дискованная стерня после / Disked stubble after	0–10	0,59	0,59	0,59
	10–20	0,82	0,81	0,82
	20–30	1,71	1,69	1,69
	30–40	1,85	1,85	1,85
Черный пар до / Autumn fallow before	0–10	1,26	1,26	1,25
	10–20	1,63	1,63	1,64
	20–30	1,65	1,66	1,66
	30–40	1,52	1,54	1,53
Черный пар после / Autumn fallow after	0–10	0,77	0,77	0,76
	10–20	1,22	1,23	1,23
	20–30	1,83	1,82	1,82
	30–40	1,77	1,75	1,77

 

Превышение плотности нижних слоев пласта, обработанного глубокорыхлителем с прутками, отчасти объясняется снижением порозности ввиду извлечения крупных комков в верхние горизонты почвы, а также применением в конструкции плоскорезных лап, функционирование которых основано на использовании деформаций сжатия при их работе.

При использовании плоскорезных лап в конструкции рабочий орган выполняет сплошное рыхление пласта, что противоречит основе технологического процесса чизеля, функционирующего с недорезом пласта по ширине захвата и формирующего прорезь трапециевидной формы в поперечном сечении.

Плоскорезная лапа при сплошном рыхлении почвы уплотняет ее при сжатии, тогда как при недорезе пласта комки скалываются при растяжении, менее энергозатратной деформации^[6].

Применение плоскорезной лапы в данной конструкции оправдано только необходимостью крепления к ней прутков. Плоскорезная лапа выполняет функцию салазок, обеспечивая выполнение технологического процесса скольжения с уплотнением. Лапы могут служить расширителями прорези, но в данной конструкции они излишни, поскольку рабочий орган с одним долотом за счет скола по опережающей трещине охватывает такую же ширину обработанной полосы, что и другие варианты. Следует отметить, ширина захвата всех вариантов рабочего органа глубокорыхлителя составляла в среднем 380–400 мм, не зависимо от наличия плоскорезных лап в конструкции.

При отсутствии плоскорезных лап в конструкции наблюдается лучшее сохранение стерни на поверхности почвы (60 %), чем у других вариантов рабочего органа глубокорыхлителя.

Порозность почвы как функция плотности также не достигает оптимальной (свыше 50 %) в нижних слоях (37 и 32–33 % на 20–30 см; 31 и 34–35 % на 30–40 см для ДС и ЧП соответственно).

Оптимальная порозность (свыше 50 %) наблюдается (табл. 7) только в верхних слоях пласта (78 и 71 % на 0–10 см; 70 и 54–55 % на 10–20 см для ДС и ЧП соответственно).

 

Таблица 7. Порозность почвы после прохода глубокорыхлителя с прутками

Table 7. Soil porosity after passing of a deep ripper with rods

Фон / Background	Горизонт, см / Layer, cm	Фактическое значение / Actual value			Рекомендуемое значение / Recommended value
Дискованная стерня / Disked stubble	0–10	78	78	78	Свыше 50 % / Over 50%
	10–20	70	70	70
	20–30	37	37	37
	30–40	31	31	31
Черный пар / Autumn fallow	0–10	71	71	71
	10–20	55	54	54
	20–30	32	33	33
	30–40	34	35	34

 

Снижение порозности менее 50 % указывает на недостаточное количество воздуха внутри обработанного пласта и запасов влаги или возможности ее накопления.

Помимо этого оснащение конструкции рабочего органа глубокорыхлителя плоскорезными лапами значительно увеличивает его тяговое сопротивление (табл. 8), тогда как монтаж прутков оказывает меньшее влияние на данный показатель. Так, при скорости 1,81–2,93 м/с оснащение стойки с долотом плоскорезными лапами приводит к увеличению тягового сопротивления на 29,9 %, а монтаж на них прутков еще на 2,5 %.

 

Таблица 8. Тяговое сопротивление вариантов рабочего органа глубокорыхлителя, кН

Table 8. Traction resistance of variants of the deep ripper tool, kN

Фон / Background	Варианты рабочего органа глубокорыхлителя / Options for the deep ripper tool
	Стойка с долотом / Stand with a chisel	Стойка с долотом и плоскорезными лапами / Stand with a chisel and sweeps	Стойка с долотом, плоскорезными лапами и прутками / Stand with a chisel, sweeps and rods
Стерня / Stubble	5,78–9,29	8,92–10,91	9,08–12,21
Дискованная стерня / Disked stubble	8,15–9,15	9,71–12,65	9,61–12,16
Черный пар / Autumn fallow steam	6,85–8,25	9,13–10,94	10,15–12,99
В среднем /  On average	7,54	10,76	11,04

 

Обсуждение и заключение

Таким образом, установлена целесообразность оснащения криволинейными прутками конструкции рабочего органа глубокорыхлителя. Прутки выполняют подъем глыб из недоступного поверхностным рабочим органам горизонта почвы на поверхность поля. Это подтверждается тем, что при наличии прутков в конструкции рабочего органа глыбы сосредоточены в основном в верхнем горизонте обработанного пласта (0–10 см), а при их отсут­ствии – в нижних горизонтах (20–30 и 30–40 см). После прохода глубокорыхлителя с прутками внутри пласта установилась абсолютная влажность, совпадающая с нижним горизонтом необработанной почвы: 15,30–15,70 % (на стерневом фоне), что свидетельствует о перемещении слоев в процессе рыхления. На фоне ДС также наблюдается перемещение влажных слоев почвы в верхние горизонты после прохода глубокорыхлителя с прутками: влажность почвы с 13,20–13,25 % увеличилась до 16,80–17,40 % на глубине 0–10 см и с 12,90–13,85 % до 15,25–15,90 % на глубине 10–20 см. По фону ЧП влажность в горизонтах 0–10 и 10–20 см повышается после обработки за счет извлечения комков на поверхность (с 14,93 до 20,47 % и с 18,13 до 20,03 % в среднем соответственно).

С целью извлечения глыб на поверхность поля данная конструкция рабочего органа глубокорыхлителя с прутками эффективна при функционировании на глубину до 40 см при скорости движения 1,81–2,93 м/с на стерневом фоне, в том числе без обработки, на ЧП.

Оснащение глубокорыхлителя плоскорезными лапами данной конструкции с целью разуплотнения целесообразно только на глубину до 20 см, поскольку наблюдается на фоне ДС рыхлый слой на 0–10 и 10–20 см (с плотностью 0,59 и 0,81–0,82 г/см³, порозностью 78 и 70 % соответственно). На фоне ЧП на 0–10 см также наблюдается рыхлый слой после обработки (с плотностью 0,76–0,77 г/см³, порозностью 71 %), а на 10–20 см (с плотностью 1,22–1,23 г/см³ и порозностью 54–55 %) заметно разуплотненный по сравнению с необработанным (1,63–1,64 г/см³).

В дальнейшем для совершенствования конструкции рабочего органа лапы необходимо установить не под прямым углом к стойке в поперечном направлении, а под углом скола почвы, тем самым плоскорез трансформируется в чизель с расширителями щели для улучшения качества обработки и снижения энергозатрат. Возможно совершенствование конструкции рабочего органа глубокорыхлителя за счет увеличения угла установки плоскорезной лапы к дну борозды.

 

^[1] Указ Президента Российской Федерации от 28 февраля 2024 г. №145 «О стратегии научно-технологического развития Российской Федерации» [Электронный ресурс]. URL: http://www.kremlin.ru/acts/bank/50358 (дата обращения: 29.10.2024).

^[2] ГОСТ 20915-2011. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы определения условий испытаний [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200094197 (дата обращения: 28.10.2024).

^[3] ГОСТ 24055-2016. Техника сельскохозяйственная. Методы эксплуатационно-технологической оценки [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200144754 (дата обращения: 28.10.2024).

^[4] ГОСТ 5180-2015. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200126371 (дата обращения: 28.10.2024).

^[5] ГОСТ 33736-2016. Техника сельскохозяйственная. Машины для глубокой обработки почвы [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200144758 (дата обращения: 28.10.2024).

^[6] Зеленин А. Н. Резание грунтов. М. : Изд-во АН СССР, 1959. 271 с.

About the authors

Galina G. Parkhomenko

Agrarian Research Center “Donskoy”

Email: parkhomenko.galya@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1944-216X
SPIN-code: 6048-2834
Scopus Author ID: 57211208305
ResearcherId: D-2633-2019

Cand.Sci. (Eng.), Leading Researcher of the Department of Plant Mechanization, Laboratory of Field Cultivation

Russian Federation, 14 Lenin St., Zernograd 347740

Igor V. Bozhko

Agrarian Research Center “Donskoy”

Author for correspondence.
Email: i.v.bozhko@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8423-4079
SPIN-code: 8506-5144
Scopus Author ID: 57204682997
ResearcherId: E-9518-2016

Cand.Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Department of Plant Mechanization, Laboratory of Field Cultivation

Russian Federation, 14 Lenin St., Zernograd 347740

Sergey I. Kambulov

Agrarian Research Center “Donskoy”; Don State Technical University

Email: kambulov.s@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8712-1478
SPIN-code: 3854-2942
Scopus Author ID: 57204644631
ResearcherId: A-6156-2019

Dr.Sci. (Eng.), Associate Professor, Chief Researcher of the Department of Plant
Mechanization, Laboratory of Field Cultivation, Agrarian Research Center “Donskoy”; Professor of the Department “Technologies and Equipment for Processing
Agricultural Products”, Don State Technical University

Russian Federation, 14 Lenin St., Zernograd 347740; 1 Gagarin Square, Rostov-on-Don 344003

Nikita V. Buzhinsky

Agrarian Research Center “Donskoy”

Email: 27091999n@gmail.com
ORCID iD: 0009-0004-8968-4337
SPIN-code: 4551-7297

Postgraduate Student, Engineer of the Department of Plant Mechanization, Laboratory of Field Cultivation

Russian Federation, 14 Lenin St., Zernograd 347740

References

Supplementary files