Особенности выполнения основной обработки почвы на вырубках



Рассмотрены перспективы использования дисковых орудий для основной обработки почвы на вырубках. Отмечено, что среди прочих преимуществ, лесные дисковые плуги имеют недостаток в виде некачественного оборота почвенного пласта с его разделением на отдельные куски при сходе с диска. На основе результатов теоретических исследований представлена возможность повышения качества работы дисковых почвообрабатывающих орудий путем оснащения их рабочих органов дополнительными отвалами лемешного типа.

Ключевые слова: основная обработка почвы, вырубка, дисковый плуг, оборот пласта, сферический диск, лемешной отвал

Лесовосстановление — это сложный многооперационный технологический процесс, важным и трудоемким этапом которого является основная обработка почвы. От качества ее выполнения зависит весь дальнейший процесс создания лесных насаждений.

Следует отметить, что вырубки и гари считаются наиболее сложными площадями для выполнения лесовосстановительных работ. Для эффективного использования на таких участках средств механизации в настоящее время лесовосстановление здесь чаще всего выполняется по двум технологиям:

‒ создание лесных культур на вырубках с выполнением полосной расчистки и раскорчевки;

‒ создание лесных культур на нераскорчеванных вырубках.

Вторая технология лесовосстановления получила широкое распространение в лесостепной зоне. Данный метод не предусматривает предпосадочной очистки вырубки, а обработка почвы выполняется частично в виде прокладки отдельных полос или борозд между пнями. Рабочие органы лесного плуга в этом случае будут контактировать с различными препятствиями (корни, порубочные остатки и т. д.). С учетом этого, для выполнения основной обработки почвы на вырубках наиболее перспективным видится применение дисковых орудий. Они обладают рядом существенных преимуществ перед другими типами почвообрабатывающих агрегатов. Рабочими органами дисковых плугов служат сферические диски диаметром 600…800 мм, устанавливающиеся под углом β ≈ 20° к вертикали и углом атаки α = 40…45° к направлению движения агрегата. Сферические диски при контакте с почвой совершают сложное движение — поступательное вместе с орудием и вращательное вокруг своей оси. Это позволяет им при встрече с различными препятствиями перекатываться через них, что повышает надежность и проходимость орудия. Дисковые рабочие органы, благодаря своему вращению, практически не залипают и не забиваются [1, 2, 3].

В зависимости от расстановки дисков на раме орудия в лесном хозяйстве осуществляются следующие виды вспашки: сплошная или полосная вспашка (рисунок 1, а); бороздная вспашка всвал (рисунок 1, б); бороздная вспашка вразвал (рисунок 1, в) и комбинированная вспашка, когда два передних диска плуга работают вразвал, а два задних всвал.

Рис. 1. Основные виды вспашки дисковыми плугами: а − сплошная или полосная вспашка; б − вспашка всвал; в − вспашка вразвал

Важным критерием, определяющим качество бороздной подготовки почвы, является оборот почвенного пласта, который распространен в лесохозяйственной практике в случае, когда посев или посадка растений производятся в образованные плугом борозды или в опрокинутый пласт дерниной вниз. При бороздной подготовке задернелых почв подрезанный почвенный пласт под воздействием на него корпуса плуга оборачивается, сохраняя свою форму или частично деформируясь, и укладывается рядом с бороздой на необработанную поверхность почвы.

Здесь можно заметить, что специалистами лесного хозяйства отмечается негативная особенность работы дисковых плугов, связанная с не всегда качественным оборотом почвенного пласта, а также с его разделением на отдельные куски при сходе с диска, хаотически разбрасываемые по почве вдоль образуемой борозды [4]. Так, лесоводы указывают на неэффективную работу на вырубках широко применяемых дисковых плугов ПД-0,7 и ПДП-1,2 (рисунок 2). Ввиду плохого оборота пластов дисковыми рабочими органами и их разрыва на куски, в дальнейшем пласты быстро зарастают травянистой растительностью.

а) б)

Рис. 2. Дисковые плуги: а — ПД-0,7; б — ПДП-1,2

Общеизвестно, что на качество обработки почвы влияют следующие параметры дисков: диаметр, радиус кривизны сферической поверхности, угол атаки и угол их наклона к вертикали. С увеличением угла атаки диска улучшается оборот пласта и растет интенсивность крошения почвы. Вертикальный угол установки диска в одних случаях улучшает оборот пласта, а в других ухудшает. При увеличении диаметра диска возрастает глубина обработки почвы, а возрастание кривизны диска приводит к более интенсивному ее крошению.

Учитывая перспективность использования дисковых орудий для основной обработки почвы на вырубках, учеными давно ведется научный поиск для повышения качества и эффективности их работы. Например, исследования Синеокова Г. Н. были направлены на выявление закономерностей влияния конструктивных и установочных параметров дисковых рабочих органов на качество почвообработки и на тяговое сопротивление плуга, а также определение силового характера рабочего процесса дисковых орудий на равнинных участках почвы [5]. Изучение работы дисковых рабочих органов в лесном хозяйстве проводилось А. И. Барановым, П. С. Нартовым и В. И. Вершининым [6, 7]. Они рассматривали особенности конфигурации дисковых рабочих органов и силы, действующие на них. Исследования, проведенные П. С. Нартовым, показали, что хороший оборот пласта диском достигается в том случае, если ширина пласта в 2...2,5 раза превышает его толщину. Установлено, что в отношении качества обработки почвы наилучшие результаты достигаются применением цельнокрайних дисков диаметром 510 мм, имеющих сферическую рабочую поверхность с радиусом кривизны до R = 1,6…1,9D и установленных под углом атаки α = 20…30°. Наклон дисков к вертикали улучшает качество обработки.

Для улучшения оборота пласта предлагаются различные технические решения. Так, в работах П. С. Нартова отмечается, что затормаживание диска повышает сохранность оборачиваемого пласта почвы, но при этом теряется способность диска преодолевать высокие препятствия. Однако заторможенный диск, имея тупой угол вхождения в почву, способен наползать на различные встречаемые препятствия, преодолевая их. По заторможенному диску не происходит значительного подъема пласта почвы, а значит, улучшается его сохранность при обороте [7, 8].

В развитие данного конструктивной идеи Свиридовым Л. Т. и Зимариным С. В. предложена конструкция дискового корпуса лесного плуга (рисунок 3), включающая в себя стойку 1 с осью 2, на которой на подшипнике 3 свободно установлен сферический диск 4, соединенный с корпусом 5 посредством спиц 6 [9].

Рис. 3. Дисковый корпус плуга: 1 — стойка; 2 — ось; 3 — подшипник; 4 — сферический диск; 5 — корпус; 6 — спица; 7 — грудь; 8 — крыло

Сферический диск 4 имеет отверстие, концентричное его оси. На оси 2 жестко закреплен дополнительный рабочий орган, выполненный виде груди 7 и крыла 8 отвала. Верхняя часть груди 7 и крыло 8 имеют винтовую конфигурацию. Нижняя часть груди 7 имеет сферу радиусом, равным радиусу сферического диска 4, и контуром в виде части окружности, диаметр которой соответствует диаметру отверстия сферического диска 4. При движении лесного плуга сферический диск 4, взаимодействуя с почвой, вращается, отрезает почвенный пласт и подает его на нижнюю часть груди 7 дополнительного рабочего органа. Выполнение нижней части груди 7 в форме сферы с радиусом, равным радиусу сферического диска, и контуром в виде части окружности, диаметр которой соответствует диаметру сферического диска, позволяет беспрепятственно, с минимальными энергопотерями принимать подрезанный пласт и далее передавать его на верхнюю часть груди 7 и крыло 8, обеспечивая его непрерывный постепенный оборот и качественную дальнейшую укладку.

Таким образом, можно отметить, что одним из перспективных способов повышения качества обработки почвы в виде требуемого оборота пласта как вращающимися, так и не вращающимися дисковыми рабочими органами является их оснащение отвалами лемешного типа. Такие отвалы, установленные на диски, обеспечивают хороший оборот почвенного пласта.

Как показывают проведенные теоретические исследования, использование в конструкции дискового плуга лемешного отвала улучшает качество обработки почвы.

Основными параметрами, задающими положение отвала как участка плоскости относительно сферического диска, являются поперечный α_о и продольный β_о углы установки плоскости и положение h_о точки стыка отвала и диска.

При выполнении экспериментов на основе математического моделирования вертикальное положение отвала h_о изменяли от –0,30 до –0,10 м с шагом 0,05 м (рисунок 4).

Анализ полученной зависимости коэффициента оборачиваемости пласта r от положения точки стыка h_о показывает, что максимальное значение r наблюдается вблизи h_о = –0,20 м. При высоком положении отвала вырезаемый диском пласт, поднимаясь по диску, срывается с него, не успевая дойти до отвала, поэтому, при больших значениях h_о наблюдается невысокая оборачиваемость пласта. При слишком низком расположении отвал «прижимает» формирующийся пласт, тем самым, не давая ему подниматься по диску, поэтому оборачиваемость r при малых h_о также падает.

Рис. 4. Зависимость коэффициента оборачиваемости пласта от вертикального положения отвала

Максимальное значение коэффициента оборачиваемости r и величины смещения пласта d наблюдается, соответственно, при α_о = 60^о и α_о = 40^о (рисунок 5). При увеличении поперечного угла отвала α_о от 40^о его поверхность удаляется от почвы, вследствие чего он оказывает меньшее влияние на величину смещения пластаd. В то же время, при уменьшении α_о менее 40^о, отвал все сильнее входит в почву и разрушает образовавшийся пласт, поэтому эффективность смещения пласта резко снижается (рисунок 5, б).

Рис. 5. Зависимости коэффициента оборачиваемости пласта (а) и поперечного смещения пласта (б) от угла наклона отвала

Незначительные показатели коэффициента оборачиваемости пласта r наблюдаются при малых значениях поперечного угла α_о. Это означает, что пласт в этом случае смещается практически без оборота (рисунок 5, а).

На основе вышесказанного, можно сделать вывод о том, что дисковые орудия являются более эффективными для применения при основной обработке почвы на вырубках. Не всегда достигаемое качество почвообработки дисковыми рабочими органами в виде неполного оборота почвенного пласта можно повысить за счет использования дополнительно устанавливаемых отвалов лемешного типа, что подтверждается теоретическими исследованиями.

Литература:

1. Попов, И. В. Обоснование параметров рабочих органов дискретного действия для образования посадочных мест на вырубках [Текст]: дисс. … канд. техн. наук / И. В. Попов. — Воронеж: ВГЛТУ, 2015. — 164 с.
2. Дручинин, Д. Ю. Разработка универсального дискового плуга для работы на открытых площадях и вырубках [Текст] / Д. Ю. Дручинин, С. В. Пономарев, А. А. Ермоленко, М. В. Шавков, Е. В. Поздняков // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сборник трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции. — Воронеж, 2014. — № 2 (7–2). — с. 81–84.
3. Коротких, В. Н. Обоснование параметров комбинированного рабочего органа активного действия лесного дискового плуга [Текст]: дисс. … канд. техн. наук / В. Н. Коротких. — Воронеж: ВГЛТА, 2010. — 191 с.
4. Зимарин, С. В. Математическая модель для определения зоны размещения полувинтового отвальчика комбинированного корпуса плуга [Текст] / С. В. Зимарин // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: межвузовский сборник научных трудов. — Воронеж, 1999. — С. 28–31.
5. Синеоков, Г. Н. Теория и расчет почвообрабатывающих машин [Текст] / Г. Н. Синеоков, И. М. Панов. — М.: Машиностроение, 1977. — 328 с.
6. Вершинин, В. И. Новый корпус для дискового плуга / В. И. Вершинин; ВГЛТА. — Воронеж, 1996. — 8 с. — Деп. в ВИНИТИ 15.03.96, № 973-В96.
7. Нартов, П. С. Лесные дисковые плуги [Текст]: обзор. информ. / П. С. Нартов, В. И. Вершинин, А. П. Нартов; Гос. ком. СССР по лесн. хоз-ву, Центр. бюро науч.-техн. информ. — М.: ЦБНТИ Гослесхоза СССР, 1983. — 33 с.
8. Нартов, П. С. Дисковые почвообрабатывающие орудия [Текст] / П. С. Нартов. — Воронеж: Изд-во ВГУ, 1972. — 181с.
9. Патент РФ № 2123774, МПК А01В5/00. Дисковый корпус плуга [Текст] / Л. Т. Свиридов, С. В. Зимарин; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. — № 97114377/13; заявл. 05.08.97; опубл. 20.12.98, Бюл. № 36. — 4 с.