Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖИТЕЛЕЙ И НАГРУЗОЧНЫХ РЕЖИМОВ ТРАКТОРОВ НА ПОЧВУ

Гайнуллин И.А. 1 Зайнуллин А.Р. 1
1 Институт развития образования Республики Башкортостан
В статье рассматривается воздействие тракторов на почву. Предлагаются методы и способы снижения негативного воздействия движителей тракторов на почву. Целью исследований является оценка влияния конструктивных параметров движителей и нагрузочных режимов колесных и гусеничных тракторов на почву. Разработана методика определения нормальных давлений и напряжений на различных слоях почвы. При испытаниях датчики давления устанавливались на глубину 0,2, 0,5, 0,8 м. Гусеничные тракторы Т-170М1.03-55, Т-150 нагружались тяговым усилием 80 и 30 кН, колесные тракторы К-701, Т-150К – 50 и 30 кН. Представлены результаты экспериментальных исследований воздействия гусеничных и колесных движителей на почву. В результате исследований установлено, что увеличением тягового класса тракторов, соответственно массы тракторов, возрастает негативное воздействие на почву: увеличивается твердость почвы, значения максимальных давлений тракторов на почву. Установлено, что давление на почву у тракторов Т-150К, Т-170М1.03-55, К-701 соответственно в 1,8; 2,6 и 3,5 раза выше, чем у гусеничного трактора Т-150.
колесный трактор
гусеничный трактор
движитель
почва
давление на почву
напряжения в почве
уплотнение почвы
машинно-тракторный агрегат
тяговое усилие
датчик давления
скорость движения
1. Астафьев В.Л. Совершенствование технической оснащенности села с учетом уплотняющего воздействия МТА на почву / В.Л. Астафьев, Г.А. Окунев, Н.Ф. Гридин, И.А. Гайнуллин // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2002. – № 9. – С. 11–12.
2. Водяник И.И. Воздействие ходовых систем на почву / И.И. Водяник – М.: Агропромиздат, 1990. – 167 с.
3. Гайнуллин И.А. Снижение уплотняющего воздействия гусеничного трактора на почву: дис. … канд. техн. наук. – Челябинск, 2002. – 159 с.
4. Гайнуллин И.А. Эффективность работы посевных комбинированных агрегатов / И.А. Гайнуллин, Р.Р. Хисаметдинов, А.В. Ефимов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2010. – № 3. – С. 10–12.
5. Гайнуллин И.А. Воздействие гусеничного трактора на почву и эффективные пути его снижения / И.А. Гайнуллин // Вестник ЧГАУ. – Челябинск, 2005. – Т. 45. – С. 48–49.
6. Ксеневич И.П. Проблема воздействия движителей на почву: некоторые результаты исследований / И.П. Ксеневич, В.А. Русанов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2000.– № 1. – С. 15–20.
7. Ревут И.Б. Физика почв. – Москва: Колос, 1972. – 366 с.

С развитием технического прогресса, внедрением мощной тракторной энергетики интенсивное воздействие движителей современной техники на почву вызвало ухудшение ее свойств, что отрицательно повлияло на плодородие почвы и урожай сельскохозяйственных культур [1–6]. Особую опасность представляет кумулятивный эффект переуплотнения почвы от повторяющихся воздействий движителей. Степень уплотнения зависит от массы трактора, типа движителя, типа почвы и технологии производства полевых работ [3–5].

Традиционные технологии возделывания сельскохозяйственных культур сопровождаются многократными проходами техники по полю. В результате почва уплотняется, что приводит к ухудшению основных физических и физико-механических свойств пахотного и подпахотного слоев, снижению урожайности культур и увеличению затрат энергии на выполнение работ. Это проблема становится все острее с массовым применением тяжелых колесных тракторов и комбайнов. Повышенная скорость их движения вызывает большие динамические нагрузки на почву и ее чрезмерное уплотнение. В настоящее время все большее внимание уделяется ресурсосберегающим технологиям, использованию широкозахватных скоростных комбинированных агрегатов [4]. Установлено, что увеличение объемной массы почвы от оптимальной на 0,1…0,3 г/см3 приводит к снижению урожая на 20…40 % [7].

После прохода тракторов по полю в почве образуются уплотненные зоны, концентрирующиеся вокруг следов трактора. Они оказывают влияние на водный, воздушный и питательный режим в почве, потому что уплотненная почва сильнее испаряет влагу и является концентратором, к которому идет естественный приток влаги, что способствует иссушению почвы. При этом возрастает глыбистость пашни, снижается равномерность заделки семян и их полевая всхожесть.

В результате воздействия ходовых систем аппаратов тракторов на почву ухудшаются основные физические и технологические свойства пахотного и подпахотного слоев, на 5…25 % снижается урожайность возделываемых культур не только в год уплотнения, но и в последующие годы. Процесс разуплотнения пахотного слоя происходит в течение нескольких лет. Чрезмерное уплотнение пахотного слоя вызывает усиление процессов водной и ветровой эрозии, резко снижает эффективность средств химизации.

На основе анализа научных работ возможно наметить следующие общие направления снижения уплотняющего воздействия МТА на почву (рис. 1) [1–7].

Сохранение плодородия почвы в значительной степени зависит от воздействия на нее машинно-тракторных агрегатов при выполнении механизированных полевых работ. При этом наибольшее влияние оказывают движители тракторов.

Целью исследований является оценка влияния конструктивных параметров движителей и нагрузочных режимов колесных и гусеничных тракторов на почву.

Материалы и методы исследования

Опыты проводились на поле, подготовленном на посев. Для замера и регистрации параметров использовалась тензометрическая лаборатория ТЛ-2 конструкции НАТИ на шасси автомобиля ГАЗ-66.

Уплотняющее воздействие движителей тракторов на почву замерялось с помощью силоизмерительных датчиков С-20 ГОСТ 15077-71 со специальными изготовленными насадками. В качестве первичных преобразователей использованы проволочные тензорезисторы марки 2ПКВ базы 20 мм с номинальным сопротивлением 200 Ом. Тензорезисторы, собранные по мостовой схеме, подключаются к усилителю экранированным проводом для уменьшения посторонних электрических помех, а после усилителя сигналы поступают на регистрирующую аппаратуру. Перед началом и после окончания измерений датчики давления были тарированы. Тарировочные характеристики аппроксимировали прямой с использованием метода наименьших квадратов.

На выбранном участке отрывали траншею. На дно траншеи по ее продольной оси один из датчиков устанавливался на глубину 0,2 м, второй – на глубину 0,5 м и третий – на глубину 0,8 при расстоянии между датчиками 1 м (рис. 2).

После установки датчиков восстановлена однородность почвенного слоя. Линию установки датчиков трассировали контрастным гибким шнуром.

Начало замеров производилось на расстоянии 5 м от оси первого опорного катка или переднего колеса тракторов до первого датчика. Окончание замеров – после того как последний опорный каток или заднее колесо тракторов удалится от третьего датчика на расстояние 5 м. Скорость движения тракторов над датчиками в течение опытов составила 1 м/с.

Гусеничные тракторы Т-170М1.03-55, Т-150 нагружались тяговым усилием 80, 30 кН, колесные тракторы К-701 – 50 кН, Т-150К – 30 кН. На каждом режиме воздействий проводилось не менее трех зачетных опытов. Влажность почвы была в пределах 12...24 %.

Твердость почвы определялся по следу и вне следа движителя в 6-кратной повторности. Замеры твердости проводились твердомером Ревякина на глубину 0–30 см по каждому варианту опытов. Величина твердости почвы определялась по формуле

Р = Fq/lS,

где q – масштаб пружины, кг/см; S – площадь поперечного сечения плунжера, см2; F – площадь диаграммы, мм2; l – длина диаграммы, мм.

Влажность почвы определялась весовым методом. Ширина и глубина колеи замерялось по 25–30 раз трактором по каждому варианту движителя.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты оценки твердости почвы по следу тракторов сведены в табл. 1, результаты воздействия на почву движителей колесных тракторов К-701, Т-150К и движителей гусеничных тракторов Т-170М1.03-55, Т-150 представлены в табл. 2–5.

В результате исследований установлено, что с увеличением тягового класса тракторов, соответственно массы тракторов, возрастает негативное воздействие на почву: увеличивается твердость почвы и значения максимальных давлений тракторов на почву. Из данных табл. 1 следует, что показатели твердости почвы после прохождения колесного трактора К-701 увеличиваются по всем слоям по сравнению с гусеничным трактором Т-150. Высокая твердость почвы по следу установлена на верхних слоях, у всех типов движителей, особенно у колесных тракторов. Твердость верхнего слоя почвы по следу движителей у колесных тракторов К-701, Т-150К выше, чем у гусеничных тракторов. Увеличение твердости на верхних слоях почвы влияет на заделку семян при посеве сельскохозяйственных культур и соответственно на их урожайность. Твердость почвы на глубине 20–30 см по следу движителя гусеничного трактора Т-150 практически не изменяется. Характер распространения давления по глубине четырех типов тракторов различны. Установлено, что давление на почву соответственно у тракторов Т-150К, Т-170М1.03-55, К-701 в 1,8; 2,6 и 3,5 раза выше, чем у гусеничного трактора Т-150.

gajn1.tif

Рис. 1. Методы и способы снижения уплотнения почвы движителями МТА

Таблица 1

Показатели твердости почвы по следу тракторов

Трактор

Слой почвы, см

Твердость почвы, МПа

Глубина следа, см

Ширина следа, см

по следам

вне следов

изменение

К-701

0–5

1,85

0,46

1,39

3,5 ± 0,2

720 ± 0,3

5–10

1,96

0,57

1,39

10–20

2,23

0,99

1,24

20–30

2,54

2,10

0,44

Т-170М1

0–5

1,01

0,46

0,55

2,9 ± 0,2

620 ± 0,3

5–10

1,37

0,57

0,80

10–20

1,75

0,99

0,76

20–30

2,36

2,10

0,26

Т-150К

0–5

1,10

0,46

0,64

3,2 ± 0,2

545 ± 0,2

5–10

1,38

0,57

0,81

10–20

1,67

0,99

0,68

20–30

2,35

2,10

0,25

Т-150

0–5

0,86

0,46

0,40

2,8 ± 0,2

420 ± 0,3

5–10

0,98

0,57

0,41

10–20

1,48

0,99

0,49

20–30

2,22

2,10

0,12

Таблица 2

Воздействие на почву движителей колесного трактора К-701

Режим воздействия

Нормальные давления (напряжения) в почве, кПа

h = 20 см

h = 50 см

h = 80 см

переднее

заднее

переднее

заднее

переднее

заднее

Без нагрузки

194,0

179,0

142,6

129,5

50,0

38,0

Без нагрузки с плугом

206,0

196,0

173,0

162,2

62,0

50,0

С нагрузкой на крюке 50 кН

216,0

206,0

167,6

152,0

70,0

46,0

Таблица 3

Воздействие на почву движителей колесного трактора Т-150К

Режим воздействия

Нормальные давления (напряжения) в почве, кПа

h = 20 см

h = 50 см

h = 80 см

переднее

заднее

переднее

заднее

переднее

заднее

Без нагрузки

88,2

42,1

65,7

34,3

16,7

8,9

Без нагрузки с плугом

127,4

117,6

74,1

65,6

14,4

14,4

С нагрузкой на крюке 30 кН

107,9

100

59,4

57,6

14,1

13

Таблица 4

Воздействие на почву движителей гусеничного трактора Т-170М1.03-55

Режим воздействия

Нормальные давления (напряжения) в почве, кПа

h = 20 см

h = 50 см

h = 80 см

а1

а2

а3

а1

а2

а3

а1

а2

а3

Без нагрузки

162,7

12,7

166,6

133,3

30,0

137,2

36,3

18,6

42,1

С нагрузкой на крюке 80 кН

127,4

61,7

117,7

96,5

36,3

97,0

25,5

8,8

21,6

Примечание. а1 – первый опорный каток, а2 – середина опорной поверхности трактора; а3 – шестой опорный каток.

Таблица 5

Воздействие на почву движителей гусеничного трактора Т-150

Режим воздействия

Нормальные давления (напряжения) в почве, кПа

h = 20 см

h = 50 см

h = 80 см

а1

а2

а3

а1

а2

а3

а1

а2

а3

Без нагрузки

20,1

41,1

32,0

15,5

23,0

26,0

7,0

9,0

6,0

Без нагрузки с плугом

20,2

67,2

54,7

37,7

30,6

26,5

9,0

19,0

32,0

С нагрузкой на крюке 30 кН

52,0

58,0

50,0

24,6

27,5

21,5

7,0

6,0

3,0

Примечание. а1 – первый опорный каток, а2 – середина опорной поверхности трактора; а3 – четвертый опорный каток.

gajn2.tif

Рис. 2. Установка датчиков давления в почве

Анализ полученных результатов в табл. 3–5 показывает, что для гусеничного трактора Т-170М1.03-55:

– максимальное давление на глубине 0,2 м, создаваемое движителем трактора, составляет 166,6 кПА, при этом эпюра давлений по длине опорной поверхности имеет два локальных экстремума в зоне 1-го и 6-го опорных катков;

– аналогичные закономерности изменения максимальных давлений имеются в почвенных слоях, с уменьшением абсолютных значений с увеличением глубины расположения датчика.

Для колесных тракторов К-701 и Т-150К:

– максимальные значения давления соответствуют наезду на датчики переднего и заднего колес, при этом после прохода колес остаточные давления незначительны;

– при движении тракторов без тяговой нагрузки максимальное давление на почвенном слое 0,2 м зафиксировано при прохождении переднего колеса: qmax = 194 кПа для трактора К-701, qmax = 88,2 кПа для трактора Т-150К; при проходе над датчиками заднего колеса значение максимального давления снизилось на 40 %. Это связано, что центр масс тракторов расположен ближе к переднему мосту и, соответственно, нагрузка на переднее колесо больше, чем на заднее колесо;

– при движении трактора с тяговым усилием максимальные давления на почву переднего и заднего колес выравниваются, но при этом значения максимального давления увеличиваются за счет тяговой нагрузки. Практически одинаковые значения максимальных давлений для переднего и заднего колеса свидетельствует, о рациональном расположении центра масс в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов трактора.

Выводы

Таким образом, из наших исследований следует, что характер распределения давления по глубине четырех типов тракторов общего назначения различный. Величина максимальных давлений зависит от типа движителя и нагрузочных режимов тракторов. Установлено, что давление на почву соответственно у тракторов Т-150К, Т-170М1.03-55, К-701 в 1,8; 2,6 и 3,5 раза выше, чем у гусеничного трактора Т-150.

Максимальные давления трактора Т-170М1.03-53 при работе с номинальным тяговым усилием не соответствуют предельно допустимым нормам по ГОСТ 26955-86, при этом эпюра давлений по длине опорной поверхности имеет два локальных экстремума в зоне 1-го и 6-го опорных катков. Дальнейшее снижение уплотнения почвы возможно за счет оптимизации геометрии опорной поверхности гусеничного движителя.

Максимальные давления тракторов К-701, Т-150К при работе с номинальным тяговым усилием не соответствуют предельно допустимым нормам по ГОСТ 26955-86. Снижение степени уплотнения почвы возможно за счет использования данных тракторов со сдвоенными колесами.

Максимальные давления гусеничного трактора Т-150 при работе с номинальным тяговым усилием соответствуют предельно допустимым нормам по ГОСТ 26955-86.


Библиографическая ссылка

Гайнуллин И.А., Зайнуллин А.Р. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖИТЕЛЕЙ И НАГРУЗОЧНЫХ РЕЖИМОВ ТРАКТОРОВ НА ПОЧВУ // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 2. – С. 31-36;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41352 (дата обращения: 15.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074