Корзина
4 отзыва
+380
67
638-26-06
+380
67
638-26-06
+380
50
638-26-06
+380
73
638-26-06
+380
56
370-51-61
НЕ ДАВИТЕ, МУЖИКИ! НЕ ДАВИТЕ!... (Обзор: как выращивать растения и не утаптывать почву?) (Часть 1)

НЕ ДАВИТЕ, МУЖИКИ! НЕ ДАВИТЕ!... (Обзор: как выращивать растения и не утаптывать почву?) (Часть 1)

НЕ ДАВИТЕ, МУЖИКИ! НЕ ДАВИТЕ!...  (Обзор: как выращивать растения и не утаптывать почву?) (Часть 1)

16.08.16

Давить на почву вредно

Последнее время в специальной литературе появился термин «машинная деградация почв». Он обозначает комплекс вредных последствий, вызываемых колесами, гусеницами и рабочими органами почвообрабатывающих машин. Один из наиболее грозных факторов деградации почв – переуплотнение.

Для того чтобы растения развивались нормально, требуется определенное соотношение между основными частями почвы: твердыми частицами, водой и воздухом. Оптимальной будет такая почва, в которой твердые частицы составляют 50%, вода – 30% и воздух – 20% (см. рис. 1А). Если почва переуплотнена (см. рис. 1Б), урожайность резко снижается. Это объясняется тем, что переуплотненная почва плохо впитывает влагу.


А)

  Б)

Рис. 1.  Сечения верхних слоев почвы: А) неуплотненной, Б) переуплотненной
Белый цвет – пространство для воздуха или воды.
Черный цвет – почва.

Сечения верхних слоев неуплотненной и переуплотненной почвы наглядно показывают, на сколько сокращается пространство для воздуха и воды под действием колес и гусениц сельскохозяйственных машин. Увеличение объема этого пространства оздоровливает почву [1].

«Исследования американских специалистов показали, что уплотнение почв в основных зерносеющих районах США снижает урожай хлебов на 8–13%.

Во многих странах, в том числе и СССР, были поставлены специальные опыты. Они показали, что уплотнение пылевато-иловатого суглинка трактором, колеса которого давят на землю с силой 2 кг/см2... снижает урожайность картофеля более чем на 50%.

Имеются данные, что урожай заметно снижается даже в том случае, когда объемный вес земли увеличивается всего на 0,01 г/см3» [2].

«Сегодня нужна техника, основанная на новых научных принципах. Традиционная техника –  это 300 кг металла на 1 га пашни. Она ведет к переуплотнению и деградации почвы. Нужны: реактивные плуги, почволюбивые ходовые системы, вибрационные рыхлители, роторные комбайны, пневмогусеничные тракторы, плоскорезы вместо плугов. В Канаде плуги не применяются с 1963 года. В Голландии применяют мостовое земледелие» [3].

Чтобы сберечь и восстановить плодородие почвы, необходимо научиться выращивать продукты питания без ее разрушения и уплотнения.

В статье дан краткий обзор известных способов решения этой задачи и показаны тенденции развития машин и технологий, позволяющие предсказать новые способы ее решения.   

Как обрабатывать почву без ее уплотнения?

Почву разрушают и уплотняют колеса и гусеницы сельскохозяйственных машин: тракторов, комбайнов, грузовиков, сеялок, косилок и т. п. Всю эту технику можно представить как систему для обработки почвы и растений, состоящую из двух частей: орудия обработки (орудие) и машины, которые перемещают эти орудия («тягач») (см. рис. 2).

Рис. 2. Система обработки почвы и растений 

Главная полезная функция «тягача» – перемещать орудие по полю. Нежелательный эффект, появляющийся при этом – разрушение и уплотнение почвы.

Главная полезная функция орудия – обрабатывать почву, растение. Нежелательный эффект, появляющийся при этом – разрушение и уплотнение почвы.

Главная функция системы «тягач» + орудие – обрабатывать почву и растения в соответствии с заданной технологией выращивания сельскохозяйственной культуры.

В соответствии с законами развития технических систем, описанными в теории решения изобретательских задач (ТРИЗ), основными тенденциями развития являются: постоянный рост параметров главной полезной функции системы и уменьшение факторов расплаты. Факторами расплаты являются разного рода затраты, связанные с выполнением функций системы и нежелательные эффекты, которые при этом проявляются [4, 5].

Рассмотрим эти тенденции для системы обработки почвы и растений «тягач» + орудие.

Например, для посевного агрегата рост параметров его главной полезной функции выражается в постоянном росте количества секций у сеялки и увеличении ширины захвата – 4, 6, 8, 12, 18 метров.

Постоянное снижение факторов расплаты, связанных с выполнением функций, проявляется, например, в стремлении снизить вредное уплотняющее действие «тягача» и колес орудий на почву.

Стремление разработчиков сельскохозяйственной техники следовать этим тенденциям приводит к противоречивым требованиям. Так, например, чтобы «тягач» мог тянуть широкозахватную сеялку, он должен быть мощным и иметь хорошее сцепление с почвой. Но мощный «тягач» больше весит, а значит сильнее разрушает структуру почвы и сильно уплотняет ее. Чтобы этого избежать, он должен быть легким. Конструктор сталкивается с необходимостью преодолеть противоречие – «тягач» должен быть тяжелым и легким.

Как преодолеть это противоречие? Какие способы предлагались и могут быть предложены?

СПОСОБ 1: МЕНЬШЕ ДАВИТЬ НА ПОЧВУ

Какие существуют пути уменьшения давления на почву?

Самыми очевидными способами являются:

  • уменьшение веса машины;
  • увеличение площади контакта колеса с почвой.

В первом случае мы сразу сталкиваемся с тем же противоречием: если уменьшить вес трактора, то давление на почву уменьшится, но также ухудшатся его тягово-сцепные свойства. Поэтому, чтобы сохранить тягово-сцепные свойства на уровне, необходимом для выполнения агротехнических операций, приходится использовать большие грунтозацепы и увеличивать площадь контакта колес с почвой. Это достигается за счет спаривания и страивания передних и задних колес, установки колес с широкопрофильными и арочными шинами, снижения давления воздуха в шинах (см. рис. 3, 4, 5).

Рис. 3. Трактор со спаренными колесами [6]

Рис. 4.  Трактор со строенными колесами [7]

Рис. 5. Трактор с арочными шинами [8]

Применение спаренных шин снижает удельное давление на почву, что в 1,5–2 раза уменьшает степень уплотнения по следу трактора, повышает проходимость агрегатов при повышенной влажности и увеличивает их тяговое усилие. Это особенно важно в ранние сроки проведения весенне-полевых работ при высоком содержании почвенной влаги [9].

Эти и другие способы снижения давления на почву подробно рассмотрены в статье «Площадь опоры: хорошего колеса должно быть много» на с. 80 (см.http://www.triz-profi.com/magazin2.html). Здесь будут упомянуты лишь некоторые из них для того, чтобы проследить тенденции развития движителей сельскохозяйственных машин.

Шины сверхнизкого давления

Уменьшить давление колеса на почву можно, увеличив пятно контакта и равномерно распределив давление. Этого можно достичь, снизив давление воздуха в колесе.

Вездеход ТТС–70 на шинах сверхнизкого давления с опрыскивателем

Технические характеристики[10]:

  • Производительность,  га/час 50
  • Размах крыльев, м 20
  • Заправочная емкость, л 600
  • Давление на почву,    кПа 8–13
  • Диапазон скоростей,  км/ч   10–50

Вездеход ТТС–70

В воронежском ЗАО «Топаз плюс» изготовили легкий и проходимый вездеход ТТС-70 на шинах сверхнизкого давления.

Его шины – оболочки низкого давления 70–150 г/см2 диаметром 1,2 метра, так что удельная нагрузка вездехода на грунт в несколько раз меньше, чем у самого экологичного трактора.

Вездеход работает по посевам в низкой фазе без повреждения растений и почвы.

Его рекомендуют применять для полива и подкормки растений, рассыпания ядохимикатов. Он способен работать и сенокосилкой,  на него можно установить культиватор-рыхлитель, жнейку.

По расходу горючего ТТ-70 раз в двадцать экономичнее существующих тракторов.

Установка системы глобального позиционирования (GPS) обеспечивает ночную обработку полей без использования сигнальщиков [11].

Всем хорош вездеход ТТС-70, но гладкие колеса не могут создать большого тягового усилия.

От колеса к гусенице

Снизить давление трактора на почву и увеличить его тяговые характеристики можно, если вместо колес использовать металлические гусеницы.

Лучшим отечественным колесным трактором признан К-701. На транспортно-технологических операциях он незаменим. А при обработке почвы, посеве и обработке растений тяжелая машина сильно уплотняет почву, при избытке влаги колесо пробуксовывает до глубокой колеи, разрушая почвенный покров.

Для устранения этого недостатка специалисты из Всероссийского научно-исследовательского проектно-технологического института механизации и электрификации сельского хозяйства предложили оперативно менять колесо на гусеницу. Операция замены занимает не более 5 часов. Никаких особых приспособлений и навыков не требуется. Гусеница может быть металлической или резино-тросовой.

Новинка испытана в 2002 году на полях колхоза им. Ворошилова в Ставропольском крае. С переходом на гусеницу площадь пятна контакта с почвой увеличилась в 4 раза, а удельное давление снизилось вдвое. Уменьшилась в 2 раза и глубина колеи на паровом поле [12].

Но металлическая гусеница тоже не решает всех проблем, у нее есть свои недостатки:

  • разрушает покрытия дорог при переезде с одного поля на другое;
  • передает вибрации от двигателей и механизмов почве, от чего она сильно уплотняется;
  • неравномерно распределяет давление по пятну контакта с грунтом – это вызвано тем, что вертикальная нагрузка от каждого катка передается на грунт практически через один трак и в результате статические давления в зоне контакта гусеницы возрастают в несколько раз (см. рис. 6 ) [13, с. 99–100].

Рис. 6. Распределение давления в металлической гусенице транспортера

Чтобы защитить покрытия дорог от разрушения и снизить влияние вибрации на почву, было предложено сделать гусеницу резиновой. Она более равномерно распределяет давление по опорной поверхности, что уменьшает деформацию, уплотнение и разрушение почвы.

Современные тракторы оснащаются литыми резинотросовыми гусеницами с автоматическим натяжением. Они обеспечивают высокую тягу при работе на грязи и рыхлой почве, а плотный контакт с поверхностью обеспечивает устойчивость трактора (см. рис. 7).

Рис. 7. Трактор с резинотросовой гусеницей [14]

Пневматическая гусеница

Чтобы еще уменьшить давление на почву и сделать его более равномерным, было предложено объединить хорошее поглощение вибрации пневматическим колесом с большой площадью контакта у гусеницы. Получилась резиновая пневматическая гусеница.

Резиновая пневматическая гусеница состоит из отдельных пневмоэлементов. Каждый пневматический элемент представляет собой резино–кордную оболочку, наполненную воздухом и состоящую из силового пояса, армированного металлокордом, и пневматического баллона с развитой опорной поверхностью с грунтозацепами. Подкачка воздуха в элемент в процессе эксплуатации и контроль давления воздуха осуществляются через стандартный вентиль, устанавливаемый в каждый элемент. Величина внутреннего давления воздуха по допустимым величинам вертикальных прогибов находится для разных машин в диапазоне 1,5–2,2 кгс/см2.

Резино–пневматическая гусеничная лента была испытана в нескольких вариантах на гусеничных снегоболотоходах и сельскохозяйственных тракторах.

Исследования показали, что пневматическая гусеница по сравнению с металлической обладает рядом существенных преимуществ [15]:

  • Значительно более равномерная эпюра давления движителя на полотно пути.
  • Меньшее повреждение и уплотнение почвы.
  • Тяговое усилие машины на пневмогусеницах увеличивается в 1,4–1,8 раза.
  • Сопротивление движению машины на пневмогусеницах при движении по слабым грунтам уменьшается в 1,2–1,5 раза.
  • Применение пневмогусеницы позволяет машине передвигаться по дорогам с усовершенствованным покрытием без его повреждения.

Трактор Т-54С-ПГ

Трактор Т–150ПГ

В период с 1976 по 1978 годы в отраслевой научно-исследовательской лаборатории вездеходных машин были разработаны и исследованы пневмогусеничные движители для тракторов Т-54С и Т-150ПГ [16].

Сравнительные испытания показали, что:

  • максимальные напряжения в почве под катками трактора Т-54С-ПГ на 30–40% меньше, чем у трактора Т-70С (аналог) на всех режимах движения;
  • общее уплотнение почвы по следам Т-54С-ПГ и Т-150-ПГ меньше, чем по следам Т-70С и Т-150 соответственно на 23,9 и 28,3%.

Применение пневматических гусениц на транспортных средствах приводит к значительному снижению уплотняющего и разрушающего воздействия движителя на почву [13, с. 103].

Это подтвердил в 1980 году отдел ходовых систем Всесоюзного института механизации результатами испытаний в Армавирской опытной станции [15].

Проведенные испытания показали, что эпюры давлений вдоль опорной поверхности пневматической гусеницы так же, как и в движителе с металлической гусеницей, являются неравномерными, но величина давления и неравномерность намного ниже (см. рис. 8). 

Рис. 8. Распределение давлений: а – в пневматической гусенице; б – в металлической гусенице транспортера

Аналогичные результаты были получены на сравнительных испытаниях трактора ДТ-75Б с металлической гусеницей и трактора «Руслан» с пневматической гусеницей (см. рис. 9).


Гусеничный трактор ДТ-75Б   

Пневмогусеничный трактор «Руслан»

Рис.  9. Эпюры нормальных контактных давлений (а) и осадки торфяной залежи (б) под гусеницами трактора ДТ-75Б и пневматическими гусеницами трактора «Руслан» [13, с. 102]

Проведенные исследования показали, что пневматический движитель наиболее полно отвечает требованиям, предъявляемым к движителям сельскохозяйственных машин с точки зрения снижения уплотняющего воздействия на почву при увеличении тягово-сцепных характеристик и снижения металлоемкости движителя и машины в целом [13, с. 104].

Однако и у пневматической гусеницы есть недостатки: 

  • по сравнению с металлической гусеницей:
    • возможность проколов;
    • низкие тягововые качества на скользких покрытиях;
    • чувствительность к низким температурам воздуха;
    • низкая ремонтопригодность;
  • по сравнению с автомобильным колесом:
    • более сложная конструкция движителя;
    • высокие потери мощности при перемещении по твердым дорогам;
    • относительно низкий срок службы ходовой части.

Сегодня пневматические гусеницы нашли применение на тихоходных машинах, предназначенных для работы на топких грунтах – снегоболотоходы, вездеходы, экскаваторы [17].

Установка пневматической гусеницы на экскаватор ЭО-4121 позволила уменьшить среднее удельное давление на грунт с 65 кПа (0,65 кг/см2) на серийной металлической гусенице до 26 кПа (0,26 кг/см2) [18].

Трактор на воздушной подушке

«Изобретатели... стремятся объять необъятное: до невозможной степени увеличить площадь контакта опорных поверхностей трактора с землей и снизить тем самым давление на нее.

«В идеале» эту задачу можно решить двумя путями:

  • либо создать что-то очень близкое настоящей живой гусенице;
  • либо вовсе отказаться от опоры.

Безопорный трактор на воздушной подушке еще не получил официального, всеми признанного названия. В Польше, например, его окрестили «воздушковец», во Франции – «агроплан». Применяют подобные машины и в США, и у нас, и в ряде других стран. Пока только в экспериментальных целях. Но результаты уже вполне солидны.

Польский воздушковец, например, на операциях химической защиты растений двигается над полем с недосягаемой для обычных тракторов скоростью –  50 км/час.

Французский агроплан по обычным дорогам едет на обычных колесах; воздушная подушка включается только по необходимости –  над болотом, например. В последнем случае агроплан весом в три тонны (вместе с грузом) развивает скорость до 20 км/час.

Что касается копирования способа движения «настоящей» гусеницы, то здесь пока нечем хвастаться. Конструкции, рождающиеся на чертежных столах и в экспериментальных цехах заводов, слишком сложны, чтобы конкурировать с традиционным тракторным движителем» [2].

Вездеход на воздушной подушке

В омском ООО «АРКТИКА-М» был разработан вездеход на воздушной подушке, предназначенный для перевозки пассажиров и грузов в тех местах, где невозможно применение иного вида транспорта, кроме вертолетов.

В отличие от вертолета, он в десятки раз дешевле, превосходит вертолет по запасу хода, грузоподъемности, машине не нужны аэродромы, практически полная независимость от состояния погоды, времени суток и года.

Вездеход предназначен для контроля магистральных трубопроводов, удаленных буровых установок, перекачивающих и дожимных станций, линий электропередачи. Может использоваться геологами, работниками сельского хозяйства.

Вездеход отвечает всем экологическим нормам и не нарушает трудно восстанавливаемый покров тундры, оказывая давление воздушным потоком не более 12 гр/см2 [19].

Линии развития

Показанные здесь способы уменьшения давления на почву позволяют проследить несколько линий развития движителей сельскохозяйственных машин, совпадающих с линиями развития технических систем, описанных в ТРИЗ [4, 5, 20]:

Линия №1. «Моно-би-полисистема» (см. рис. 10):

  • одно колесо на конце оси оказывает большое давление на грунт;
  • два колеса на конце оси – меньше давление на грунт, но наблюдается сильное сдавливание грунта между колесами;
  • три колеса на конце оси – еще меньше давление на грунт, но сохраняется сдавливание грунта между колесами, машина занимает много места на дороге и на стоянке;
  • арочная шина – малое давление на грунт, нет сдавливания грунта между колесами.

Рис. 10. Развития колесного движителя по линии «Моно-би-полисистема»

Линия №2. «Увеличение степени пустотности» (см. рис. 11):

  • одна полость;
  • несколько больших полостей;
  • полые траки гусеницы;
  • пенонаполненные траки – гусеница не боится проколов;
  • полости траков заполнены веществом, изменяющим их твердость в зависимости от состояния почвы.

Рис. 11. Увеличение степени пустотности гусеничного движителя