Совершенствование технологий и технических средств для противоэрозионной обработки почвы в условиях Узбекистана

Актуальность и востребованность темы диссертации. Во всём мире в результате усиления ветровой и водной эрозии происходит резкое снижение полодородия почвы. Её восстановление является одной из очень тяжёлых и длительных глобальных экологических проблем. На сегодняшний день в период интенсификации сельского хозяйства «по всему миру около двух млрд, гектаров земельной площади пришло в негодное состояние. Также 31% суши подвергнута водной, а 34% - ветровой эрозии. Ежегодно более 60 млрд, тонн плодородного слоя почвы смывается в моря и океаны»1.
Систематическая пахота земель и изменение системы сельского хозяйства, особенно на склонах, приводит к увеличению доли площадей, подвергающихся эрозии. Водная эрозия и дефицит влажности почвы на склонах богарных земель является одной из серьёзных проблем. В нашей республике пригодные к сельскому хозяйству «богарные земли составляют 2 млн. 130 тысяч гектаров, из них 756,8 тыс. гектаров пашни» , «10,1% земель подвергнуты водной, 76,6% - ветровой эрозии и 7,5% - водной и ветровой эрозии»3.
Многочисленные исследования и практика показывают, что почвообрабатывающие машины, применяемые в нашей республике для безотвальной и отвальной обработки почв, подверженных эрозии, не обеспечивают требуемого качества обработки почвы, энергоёмки и малопроизводительны.
В связи с этим, исследования направленные на совершенствование системы обработки почвы, уменьшение расходов энергии, улучшение накопления и сохранения влаги, защищающие от ветровой и водной эрозии и разработка технологий, обеспечивающих повышение плодородия и создание технических средств являются актуальными.
Диссертационная работа посвящена решению таких задач, как улучшение плодородия почвы, повышение урожайности растений, защита почвы от ветровой и водной эрозии, обеспечение ресурсосберегающими технологиями и техническими средствами, определённых Указом Президента Республики Узбекистан за № У П-3932 «О мерах по коренному совершенствованию системы мелиоративного улучшения земель» от 29 октября 2007 года, а также Постановлением Президента Республики Узбекистан ПП-1958 «О мерах по дальнейшему улучшению мелиоративного состояния орошаемых земель и рациональному использованию водных ресурсов на период 2013-2017 годов».
Цель исследования. Разработка механико-технологических основ обработки эродированных почв и создание на этой основе новых технических средств, обеспечивающих защиту почв от ветровой и водной эрозии, снижение затрат энергии на обработку, улучшение накопления и сохранения влаги почвы, повышение производительности агрегатов.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке:
технологии обработки эродированных почв, принципиальных схем и конструкций двухъярусного рыхлителя и плуга для гребнисто-ступенчатой вспашки;
механико-математических моделей оборота пласта, совмещенные с боковым перемещением и без бокового перемещения его центра тяжести;
механико-математических моделей воздействия на почву рабочих органов двухъярусного рыхлителя и заплужника плуга;
аналитических зависимостей, позволяющих обосновать рациональные значения параметров рабочих органов разработанных орудий;
аналитических зависимостей, позволяющих анализировать устойчивость хода разработанных орудий;
закономерностей изменения качественных и энергетических показателей работы двухъярусного рыхлителя и плуга для гребнисто-ступенчатой вспашки в зависимости от параметров их рабочих органов и скорости движения.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
Анализ литературных данных показал, что задачи сохранения плодородия и влаги почвы, устранения ветровой и водной эрозии при основной обработке почвы до сих пор не решены. Вследствие этого существующие машины для основной обработки почвы в процессе работы ухудшают физико-механические и технологические свойства почвы, повышают чувствительность обработанной почвы к ветровым и водным эрозиям, снижают плодородие земель и урожайность сельскохозяйственных культур. Конструктивные, технологические и кинематические параметры машин выбраны только для осуществления одного способа основной обработки почвы - полного и глубокого отвального оборота пласта, что является одной из основных причин повышенной энерго- и материалоёмкости процесса вспашки.
Защита почвы от ветровой и водной эрозии, улучшение качественных показателей вспашки, снижение энерго- и материалоёмкости данного агроприёма за счет разработки и внедрения усовершенствованной дифференцированной системы обработки почвы, технологического и технического обеспечения такой обработки является актуальной научной проблемой.
Разработанные механико-математические и расчетно экспериментальные модели, отражающие связь количественных и качественных показателей почвозащитной системы обработки почвы, энерго- и материалоёмкости этого агроприёма с рациональными параметрами двухъярусного рыхлителя и плуга для гребнисто-ступенчатой вспашки, реакцией почвы на их рабочие органы заложили научные основы проблемы и позволили решить практические задачи последней.
В результате исследований получены следующие научные результаты.
1. На основе анализа механики процесса вспашки сформулирована задача разработки научных основ усовершенствованной дифференцированной системы обработки почвы, которая в результате изучения причин возникновения и способов снижения ветровой и водной эрозии в период основной обработки почвы реализована в виде чередования технологий гребнисто-ступенчатой вспашки и безотвальной двухъярусной обработки почвы (на склонах) с их научно-техническим обеспечением.
2. На основе исследований типа рабочих органов, взаимного расположения, режимов работы и устойчивости движения рыхлителя с верхними и нижними рабочими органами установлено, что наиболее рациональной конструктивной схемой двухъярусного рыхлителя с наклонными стойками является плужная схема с чередованием верхнего и нижнего рабочих органов с нижним перегибом стойки; качественное рыхление с наименьшими энергетическими затратами обеспечивается при продольном и поперечном расстояниях между рабочими органами соответственно 50-60 см и 35-40 см; ширине и длине полевой доски соответственно 7 см и 16 см.
3. Установлены закономерности изменения сопротивления почвы перемещению рабочего органа с наклонной стойкой в зависимости от его конструктивных параметров, режимов работы и свойств почвы. Рациональные значения параметров рабочего органа находятся в следующих пределах: угол заточки ножа 16-20°, угол заточки стойки 18-22°, высота наклонной рабочей части нижнего рабочего органа от опорной поверхности долота 25 см, верхнего - 15 см, ширина долота 6,0-7,0 см, угол подъёма долота 20-25°, угол наклона стойки в поперечно-вертикальной плоскости 45°, максимальный угол установки рыхлительной пластины к поверхности стойки 25°, длина и ширина пластины, соответственно, 12-15 см и 9-12 см.
4. Эффективным способом гребнисто-ступенчатой вспашки склонов является чередование неполного оборота пласта с полным оборотом его в пределах своей борозды на 180° в сочетании с полосным подпахотным рыхлением. Для образования водоудерживающего гребня неполный оборот пласта необходимо осуществлять следующим образом: оборот пласта от (0) до (л/2+у) без поперечного перемещения его центра тяжести; последующий дооборот пласта с поперечным перемещением его центра тяжести.
5. Разработанная модель технологического процесса гребнистоступенчатой вспашки с одновременным подпахотным полосным рыхлением и результаты исследований взаимного расположения корпусов и почвоуглубителей, корпуса и заплужника, режимов работы и устойчивости движения плуга показали, что рациональной конструктивной схемой плуга для гребнисто-ступенчатой вспашки является ступенчатая схема с чередованием равновеликих корпусов с короткими и длинными заплужниками и почвоуглубителями, установленными за четными корпусами. При продольном расстоянии между корпусами 50 см требуемый качественный неполный оборот пластов с наименьшими энергетическими затратами обеспечивается при следующих параметрах заплужника нечетных корпусов: длина заплужника 75 см, ширина заплужника 25 см, высота стабилизирующей пластины 15 см, минимальное расстояние от носка лемеха до стабилизирующей пластины 25 см.
6. Полученные физико-механические и технологические свойства почв, подверженных эрозии, позволяют установить условия возникновения ветровой и водной эрозии и наметить пути их предупреждения.
На основе научных результатов разработаны и рекомендованы для внедрения ряд технических решений по технологическим и компоновочным схемам, конструкциям орудий, их рабочих органов, защищенных патентами Республики Узбекистан на изобретения:
на способы и устройства для реализации технологий безотвальной обработки почвы (№ FAP 00701, №FAP 00656, №FAP 00669, №FAP 00787, №FAP 00850);
на способы и устройства для реализации технологий гребнистоступенчатой вспашки (№FAP 00719, №FAP 00863);
на способы и устройства для реализации комбинированной почвозащитной обработки почвы (№FAP 00672, №FAP 00657, №IAP04832, №FAP 00864).
7. Одним из перспективных путей сохранения почвы от ветровой и водной эрозии является разработка и создание комбинированных машин, способных производить одновременно безотвальную или безотвальную и отвальную обработку почвы, полосное подпахотное рыхление, внесение удобрений, подготовку почвы к посеву за один проход агрегата.
8. Обоснованы технологические процессы ярусного рыхления почвы и гребнисто-ступенчатой вспашки, конструкции двухъярусного рыхлителя и плуга для гребнисто-ступенчатой вспашки.
Результаты исследований приняты АО «БМКБ-Агромаш» и использованы при разработке исходных требований к конструкциям двухъярусного рыхлителя и плуга для гребнисто-ступенчатой вспашки.
9. Результаты хозяйственных испытаний разработанных орудий показали, что они по основным показателям работы существенно превосходят серийные машины, способствуют предупреждению сохранения почв от ветровой и водной эрозии, позволяют улучшить качество обработки почвы, снизить энергозатраты и удельный расход топлива, повысить производительность агрегатов.
Экономический эффект от внедрения результатов исследований складывается из следующих составляющих:
при применении двухъярусного рыхлителя с наклонными стойками затраты труда снижаются на 18,75%, расход топлива - на 19,12 %, производительность труда повышается на 18,96%;
при применении плуга для гребнисто-ступенчатой вспашки затраты труда снижаются на 14,4%, расход топлива - на 14,25%, производительность труда повышается на 14,28%.
Годовой экономический эффект от внедрения двухъярусного плуга-рыхлителя составляет 7,17 млн сумов, а плуга для гребнисто-ступенчатой вспашки - 5,35 млн сумов (в ценах 2014 года).
Таким образом, на основе теоретического обобщения и практической реализации, изложенных в работе новых научных положений решена крупная проблема разработки технологии и технических средств усовершенствованной дифференцированной почвозащитной системы обработки почвы имеющая важное народнохозяйственное значение.