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.
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.
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.