Russian Federation
Russian Federation
The purpose of the study is to develop an energy-efficient technology for vertical-pin tillage, to manufacture and test a prototype of a rotary soil cultivator. At the time of the start of this project and the solution of this problem, two patents were obtained in Russia: No. 2671480 dated October 31, 2018 and No. 2732021 dated September 10, 2020 on the technology of deep pin tillage. In the first version, the technology is implemented using a metal drum with a diameter of 2.5 m or more with pins 25 cm or more long installed on its surface, made according to the principle of a wide bicycle wheel from 3 m or more, fixed by an axle on a frame that clings to a tractor , and the drum, rolling over the soil, loosens the soil under its own weight. The larger the drum diameter, the lower the energy consumption for loosening the soil and the greater the non-technological weight of such a unit. To eliminate this contradiction, a new technology has been developed for loosening the soil with a special rotor subsoiler of soil according to patent No. 2732021 dated 09/10/2020, based on the ratio of the difference in the length of the radius of the drive wheels with a diameter of 3 m with special lugs located on the outer surface of 2 wheels, with a transmission rotational energy from them by pin gearboxes located on the inner surface of the wheels to a subsoiler rotor with a diameter of 50 cm. NPO TEKHNOROS LLC designed and manufactured such a unit and conducted its production tests on an experimental field. An autumn slitting of the stubble field was carried out, the traction resistance of the unit was measured with a dynamometer, at a soil cultivation depth of 15.5 cm it was 3.5 kN/m. The working speed of the unit was more than 12 km/h, and in the presence of 3 sections with a working width of one section of 3 m with a tractor of the K-700 type, the productivity was 10 ha/h.
soil, technology, pin subsoiler, rotary cultivator, energy income, energy excellence coefficient.
Введение. Сегодня большинство предприятий Российской Федерации и ближнего зарубежья при выращивании сельскохозяйственных культур использует традиционные (классические) методы обработки почвы – вспашка, культивирование, боронование и т. д.
Плуги, культиваторы, бороны внедряют в почву, а тяговая техника их перемещает по полю, преодолевая сопротивление пласта земли, расположенного впереди рабочих органов. За многие столетия при основной обработке почвы ничего не изменилось. Раньше в соху, затем в плуг запрягали лошадей, а сейчас запрягают уже мощные колесные тракторы типа К-700, не меняя энергетические принципы основной плужной обработки почвы [1, 2].
Таким образом, самыми энергоемкими процессами почвообработки в системе производства растениеводческой продукции, особенно зерновых культур, является вспашка плугами, плоскорезная обработка, обработка тяжелыми дисковыми боронами и обработка паровых полей дискаторами, требующими своей замены на новые энергетические способы обработки почвы и исключения использования тяжелых и энергоемких орудий по осенней зяблевой обработке почвы [3, 4].
Рассмотрим простой пример: если взять обыкновенные вилы для перекопки почвы и погрузить их рабочий орган в землю, потом надавить на противоположный конец черенка, то пласт почвы под действием вил довольно легко сдвинется и рассыплется. Этот пример показывает действие закона рычагов Архимеда. Архимед говорил: «Дайте мне точку опоры и я переверну Землю». Н.В. Цугленок нашел эту точку опоры на поверхности земли и рычагом Архимеда легко перевернул ее вращающимся барабаном со штырями [5].
Цель исследования – разработать энергоэкономичную технологию вертикально-штыревой обработки почвы, изготовить и испытать опытный образец роторного рыхлителя почвы.
Объекты и методы исследования. На момент начала исследования в области технологии штыревой обработки почвы получены два патента: № 2671480 от 31.10.2018 г. [5] и № 2732021 от 10.09.2020 г. [6]. Оба патента касаются способа и устройства агрегатов для вертикально-штыревой обработки почвы, при этом имеют существенные отличия по предлагаемым устройствам рыхлительных агрегатов как в принципиальных подходах к способу рыхления, так и в конструктивных решениях.
Рис. 1. Схема работы тракторного агрегата с глубокорыхлителем почвы
Для выбора варианта разработки и изготовления оборудования по проекту необходимо было провести исследование штыревой технологии рыхления по обеим технологиям и устройствам вертикально-штыревой обработки почвы. Вначале проводились исследование и расчеты по патенту № 2671480 [4].
Результаты исследования и их обсуждение. Для определения взаимодействия штыря с различными видами почвы и особенности рыхления при радиальном и линейном перемещении рыхлительного органа и получения исходных данных для расчетов были изготовлены макеты-имитаторы и проведены предварительные испытания на различных почвах.
Первый экспериментальный макет рыхлителя по варианту патента № 2671480 представлял из себя радиальный сегмент с вваренными в него штыревыми зубьями, имитирующий часть обечайки барабана большого диаметра в 2000 мм (рис. 2).
Рис. 2. Экспериментальный макет рыхлителя почвы
В результате проведенных исследований было установлено, что единичный штыревой зуб сдвигает и разрыхляет почву в радиусе 30–40 мм вокруг себя, причем близкое расположение
зубьев по фронту рыхления приводит к сдвигу пластов почвы от соседних зубьев навстречу друг другу, что приводит к спрессовыванию почвы и пожнивных остатков в межштыревом пространстве рабочего органа, по этой причине была выявлена необходимость изменения геометрии штыревого зуба, загнутого в сторону движения агрегата по полю.
В упрощенном варианте технологии реализуются использованием металлического барабана большого диаметра от 2,5 м и более, изготовленного по принципу широкого велосипедного колеса шириной от 3 м и более, с установленными на его поверхности штырями длинной 25 см и более, своей осью прикрепленного к раме, рама цепляется к трактору и барабан под действием собственной массы при бесконечно вращательном движении штырями рыхлит почву. Выигрыш по энергетике равен отношению длины рычажных спиц такого колеса к длине штырей, закрепленных в обечайке барабана. Такой агрегат работает по принципу вил, используемых садоводами для ручного вертикального рыхления почвы. Например, при длине радиуса 160 см приводных колес диаметром 320 см и длине штырей роторного барабана 25 см (глубина обработки почвы) от точки опоры наружной поверхности барабана тяговое усилие снижается кратно отношению этих длин (160:25 = 6,4) – в 6,4 раза в сравнении с принятой обработкой почвы. Чем больше диаметр барабана, тем меньше энергетические затраты на рыхление и, к сожалению, тем больше нетехнологическая масса такого агрегата.
Для исключения противоречия (снижения нетехнологической массы при снижении энергозатрат на почвообработки при барабанном способе обработке почвы) разработана новая технология рыхления почвы специальными роторными глубокорыхлителями почвы 3, 4, 5 по патенту № 2732021 от 10.09.2020 г., основанная на отношении разницы в длине радиуса рычагов от осей 9 до обечайки колес увеличенного диаметра 2 больших приводных колес со специальными грунтозацепами 8 диаметром 3 м, с передачей энергии вращения от них штифтовым редуктором 4 к ротору глубокорыхлителя 5 при диаметре вращения штырей 5 диаметром 50 см, размещенных в приводных колесах 8, использующих такой же принцип рычагов Архимеда, как и у барабанного глубокорыхлителя, смонтированного на раме 1 с транспортным механизмом подъема агрегата (рис. 3).
Рис. 3. Принципиальная схема конструкции роторного глубокорыхлителя почвы
Для исследования предлагаемого способа роторной обработки почвы был изготовлен макет-имитатор роторного глубокорыхлителя почвы, представляющего из себя раму, на которой закреплена ось с колесом с приваренными к нему штыревыми зубъями (рис. 4, 5).
Рис. 4. Макет роторного рыхлителя почвы
Рис. 5. Испытание макета роторного рыхлителя почвы
Барабанный макет перемещался по полю с помощью усилия двух человек. Конструкция рамы предусматривала возможность установки на нее дополнительной нагрузки для более полного внедрения штыревых зубьев в почву. В результате этих исследований были подтверждены результаты испытаний первого макета. Для проектирования и изготовления опытного образца глубокорыхлителя была установлена зависимость глубины внедрения штыревых зубьев от вертикальной нагрузки и скорости передвижения по полю.
На основании этих предварительных исследований производилось проектирование и изготовление опытного образца роторного глубокорыхлителя почвы в ООО «НПО ТЕХНОРОС» г. Красноярска под непосредственным руководством генерального директора И.У. Кацера и главного конструктора А.В. Ефимова.
В осенний период проводилось щелевание стерни глубокорыхлителем на глубину 15,5 см, с шириной щелей в 2–4 см и растоянием между щелями 6–8 см, для ее частичного разрыхления в послеуборочный период и разрушения корневой системы убранных зерновых для предотвращения капилярного испарения влаги с помощью оставшейся корневой системы из открытых трубочек срезанных растений в осенний и весенний периоды (рис. 6, 7).
Рис. 6. Обработка парового поля роторным глубокорыхлителем почвы
Рис. 7. Щелевание стерни роторным глубокорыхлителем
Щелевание проводилось для замены осенней плужной обработки почвы и накопления влаги в почве при обильных осенних дождях, с последующим замораживанием почвы в зимний период, при котором образовавшийся в почве лед расширяется и поднимает почву, разрыхляя ее, и при оттаивании почвы в весенний период она становится рыхлой, а снеговая вода насыщает глубокие слои почвы через щели. Данная технология позволяет в весенний период производить посев посевным комплексом, совмещающим культивацию с посевом зерновых.
Результаты и их обсуждение. При испытании глубокорыхлителя при глубине обработки почвы в 15,5 см динамометром замерялось тяговое сопротивление агрегата на стерне, которое составило 3,5 кН/м. Для сравнения у плуга при глубине вспашки в 15,5 см оно составляет 14,5 кН/м, т. е. в 4 раза выше, чем у глубокорыхлителя; у дискатора и щелевателя при глубине обработки 15,5 см тяговое усилие составляет 9,7 кН/м, более чем в 2 раза выше, чем у глубокорыхлителя. Рабочая скорость движения штыревого глубокорыхлителя составляла более 12 км/ч, и при наличии 3 таких секций с шириной захвата одной секции 3 м, агрегатируемых трактором типа К-700, производительность такого агрегата составляла 10 га/час. Расход топлива у глубокорыхлителя составляет 4,5 л/га; у дискатора и щелевателя – 8,3; у плугов – 19,39 л/га, что в 2–4 раза ниже, чем у этих агрегатов. Сменная выработка у роторного глубокорыхлителя трактором К-701 с 3 секциями глубокорыхлителей составила 80 га, с плугом – 20 га в смену, у дискатора и щелевателя с трактором К-701 составила 40 га в смену (табл. 1).
Таблица 1
Чувствительность энергопродуктивности Еn яровой пшеницы
к антропогенным воздействиям при минимальной обработки почвы
при средней урожайности 32 ц/га
|
Вид энергетического воздействия |
Прибавка % |
Прибавка ц/га |
Прибавка, МДж/га |
Затраты, МДж/га |
Энергетический доход, МДж/га |
Коэфициент. энергетического совершенства. |
|
Дискование или щелевание стерни |
8 |
256 |
3277 |
556 |
2721 |
4,9 |
|
Подготовка семян |
5 |
1,60 |
2048 |
263 |
1785 |
6,7 |
|
Культивация-посев +мин. удобрения |
10 |
3,20 |
4096 |
2566 |
1530 |
0,6 |
|
Химпрополка |
8 |
2,56 |
3277 |
255 |
3022 |
11,8 |
|
Уборка урожая |
– |
|
|
580 |
-580 |
-1 |
|
Сушка и обработка |
– |
|
|
1526 |
-1526 |
-1 |
|
Сумма антропогенных воздействий |
31 |
9,92 |
12698 |
5690 |
7004 |
1,2 |
|
Экологические |
69 |
22,8 |
28262 |
– |
28262 |
5 |
|
Всего |
100 |
32 |
40960 |
5690 |
35268 |
6,2 |
В сравнении с плугом производительность глубокорыхлителя в 12,6 раза выше, с культиваторами, щелевателями и дискаторами – в 3,2 раза выше. При средней урожайности по Красноярскому краю в 32 ц/га, с принятым для расчетов процентом прибавки урожая от агропрема в 8 % [8, 9], в виде биоэнергетического дохода составляет 3242 МДж/га и превышает затраты роторного глубокорыхлителя величиной 350 МДж/га в 8,4 раза. У дискатора и щелевателя при затратах в 556 МДж/га доход составляет 2721 и коэффициент энергетического совершенства равен 4,9, что отличается от глубоко рыхлителя в сторону уменьшения почти в 2 раза (табл. 2) [10].
Таблица 2
Чувствительность энергопродуктивности Еn яровой пшеницы
к антропогенным воздействиям при минимальной обработке почвы
при средней урожайности 32 ц/га
|
Вид энергетического воздействия |
Прибавка % |
Прибавка ц/га |
Прибавка, МДж/га |
Затраты, МДж/га |
Энергетический доход, МДж/га |
Коэфициент. энергетического совершенства. |
|
Щелевание стерни глубокорыхлителем |
8 |
2 56 |
3277 |
350 |
2927 |
8,4 |
|
Подготовка семян |
5 |
1,60 |
2048 |
263 |
1785 |
6,8 |
|
Культивация+Посев +мин. удобрения |
10 |
3,20 |
4096 |
2566 |
1530 |
0,6 |
|
Химпрополка |
8 |
2,56 |
3277 |
255 |
3022 |
11,8 |
|
Уборка урожая |
– |
– |
– |
580 |
-580 |
-1 |
|
Сушка и обработка |
– |
– |
– |
1526 |
-1526 |
-1 |
|
Сумма антропогенных воздействий |
31 |
9,92 |
12698 |
5273 |
7425 |
1,4 |
|
Экологические |
69 |
22,08 |
28262 |
– |
28262 |
5,4 |
|
Всего |
100 |
32 |
40960 |
5273 |
35687 |
6,8 |
Выводы. Впервые в научной практике в данном исследовании определен реальный биоэнергетический доход прибавки урожая от агроприемов и территориальной экологической энергии. Аналогично в других проведенных исследованиях определен экономический доход от использования антропогенной и экологической «бесплатной» энергии, превышающий суммарный денежный доход от использования антропогенных источников, и определен коэффициент энергетического совершенства использования агроприемов и территориальной экологической энергии, равной отношению дохода к затратам на его получение [7, 8].
1. Koncepciya informatizacii agrarnoy nauki Sibiri / P.L. Goncharov [i dr.]; otv. za vypusk A.F. Aleynikov, A.I. Obremchenko; SO RASHN. Novosibirsk, 2003.
2. Lapko A.V., Cuglenok N.V., Cuglenok G.I. Imitacionnye modeli prostranstvenno raspredelennyh ekologicheskih sistem / otv. red: A.V. Medvedev. Novosibirsk, 1999.
3. Cuglenok N.V. Koncepciya ustoychivogo razvitiya APK Krasnoyarskogo kraya // Vestnik KrasGAU. 1996. № 1. S. 1.
4. Cuglenok N.V. Formirovanie i razvitie tehnologicheskih kompleksov rastenievodstva // Vestnik KrasGAU. 1997. № 2.
5. Patent № 2671480. Sposob i ustroystvo osnovnoy glubokoy vertikal'no-shtyrevoy obrabotki pochvy / Cuglenok N.V. Patentoobl. Krasnoyarskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet. Zayav. 31.05.2018.
6. Patent № 2732021. Sposob i ustroystvo rotornoy vertikal'no-shtyrevoy obrabotki pochvy / Cuglenok N.V., Kacer I.U. Zayav. 10.09.2020.
7. Cuglenok N.V. Energotehnologicheskoe prognozirovanie struktury APK // Vestnik KrasGAU. 2000. № 5.
8. Cuglenok N.V. Energotehnologicheskoe prognozirovanie: ucheb. posobie / Krasnoyar. gos. agrar. un-t. Krasnoyarsk, 2004.
9. Vas'ko I.A., Yakovenko A.V. Slagaemye urozhaynosti // Zernovoe hozyaystvo. 1987. № 1.S. 33–35.
10. Cuglenok N.V., Zhuravlev S.Yu. Ocenka vliyaniya optimal'nyh pokazateley raboty mashinno-traktornyh agregatov na energozatraty tehnologicheskogo processa // Vestnik KrasGAU. 2010. № 10 (49). S. 146–152.
11. Cuglenok N.V. Bioenergeticheskaya koncepciya formirovaniya tehnologicheskih kompleksov APK // Vestnik KrasGAU. 1998. № 3. S. 9.
