Почвообрабатывающие машины

11.02.2013

Определение физико-механических свойств почвы.

Методы определения глинистых и коллоидных частиц:

1. Прямые (микрометрические), основаны на измерении частиц в поле зрения оптических и электронных микроскопов.

2. Косвенные, базируются на использовании различных зависимостей между размерами частиц, скоростью осаждения их в жидкой и воздушной средах и свойствами суспензий.

Гранулометрия частиц почвы: ситовой метод.

Необходимые приборы и оборудование: набор стандартных сит, технические весы с разновесами, фарфоровые чашечки, линейка, шпатель и т.д. Гранулы больше 0.1 мм. называются физическим песком, а частицы меньше этого размера называются физической глиной.

Отдельные фракции		Совокупность фракций
Диаметр частиц, мм	Содержание, %		Диаметр частиц, мм	Содержание, %
<0,10	8,5		<0,10	8,5
0,10-0,25	48,5		<0,25	57,0
0,25-0,50	32,4		<0,50	89,4
0,50-1,00	8,2		<1,00	97,6
1,00-2,00	2,4		<2,00	100,0
>2,00	-		<10,0	-

График 1, Построение суммарной кривой гранулометрического состава почвы (интегральная кривая).

Классификация почвы по механическому составу Н.А. Качинского

Содержание физической глины, %	Тип почвы
Более 50%	Глина
20-50%	Суглинок
10-20%	Супесь
Менее 10%	Песок

Определение влажности почвы.

Абсолютная влажность почвы – это отношение массы влаги (воды и водяных паров) в исходном образце почвы к массе абсолютно сухой почвы, формула 1.

Оборудование для определения влажности почвы.

Шкаф сушильный; весы лабораторные; стаканчики весовые.

№ стаканчика	Масса стаканчика m0, г	Масса стаканчика с влажной почвой, m1, г	Масса стаканчика с высушенной почвой, m2. г	Влажность почвы w
1	8.85	23.85	20.75	26.05%
2	8.08	23.08	19.34	26.5%
3	7.15	22.15	14.07	25.8%
			Среднее значение:	26%

Высушивание пробы производится 5-7 часов для глинистых почв и 3-5 часов для песчаных почв. Гумус – продукт переработки микроорганизмами органических остатков растений и животных.

Определение содержания органических веществ в почве.

Содержание органического вещества – это отношение массы органики в исходном образце почвы к массе абсолютно сухой почвы по формуле 2.

Оборудование для определения органического вещества в почве.

Шкаф сушильный, горелка газовая, весы лабораторные, стаканчики весовые.

15.02.2013

Преподаватель: Панов Андрей Иванович.

Учебник: Кленин, Киселев, Левшин «Сельскохозяйственные машины».

Земледельческая механика – это прикладная техническая дисциплина, изучающая законы теоретической механики применительно к анализу работы сельскохозяйственных машин, т.е. воздействию рабочих органов сельскохозяйственных машин на объекты обработки (почву, растения, удобрения, семена и т.п.)

Системы земледелия.

Система земледелия – это комплекс взаимосвязанных агрономических, технических и организационных мероприятий, направленных на эффективное использование земли, повышение плодородия почвы, получения высоких устойчивых урожаев, снижение производственных затрат и сокращение вредных выбросов в природу.

1. Примитивные: подсечно-огневые, лесопильные, залежно-переложные.

2. Экстенсивные: зернопаровые, парозерновые, зернопаропропашные.

3. Интенсивные: севообороты с обоснованным чередованием посевов озимых и яровых зерновых, трав, картофеля, бобовых, корнеплодов.

4. Сберегающие системы: природозащитные и энергосберегающие – минимальная, нулевая; координатная.

Почва как объект механической обработки.

Почва – это поверхностные рыхлые слои горных пород, переработанных и измененных в результате длительного почвообразовательного процесса под действием воды, воздуха, солнечного света, растительных и животных организмов, а также хозяйственной деятельностью человека. Подстилающие почву слои относятся к грунтам.

Почва характеризуется плодородием – способностью производить урожай сельскохозяйственных культур, благодаря содержанию органического вещества – гумуса. Обработка почвы – это механическое воздействие рабочих органов машин и орудий, направленное на изменение ее свойств.

Свойства почвы необходимо знать для сохранения и повышения плодородия, применять научно обоснованные системы обработки и подбирать технические средства для их выполнения с учетом местных природно-климатических условий и даже свойств почвы каждого отдельного поля. В процессе взаимодействия почвы с рабочими органами изменяются:

1. Физико-механические свойства.

2. Технологические свойства.

Физико-механические свойства почвы:

1. Механический состав и структура (гранулометрический состав) почвы показывает, из каких фракций по размерам твердых частиц состоит почва.

2. Скважность – отношение объема пустот в почве к ее общему объему.

3. Плотность.

4. Влажность.

Почва, как трехфазная дисперсная среда.

Фазы (физические состояния) веществ почвы: твердая, жидкая, газовая.

Твердая фаза почвы.

Твердая фаза. В состав твердой фазы почвы входят минеральные частицы (до 90%) различных размеров и органические вещества (гумус, микроорганизмы).

Частицы размерами больше 1 мм относят к каменистым включениям, а меньше 1 мм называют мелкозем.

По массовой доле камней почвы разделяют на:

1. Некаменистые почвы (камней меньше 0.5%).

2. Слабокаменистые (0.5…5%).

3. Среднекаменистые (5…10%).

4. Сильнокаменистые (больше 10%).

Увеличение камней в почве повышает износ рабочих органов почвообрабатывающих машин.

Мелкозем по размерам диаметра D разделяют на фракции: физическую глину с диаметром частиц D<0.01 мм, физический песок – D>0.01 мм.

В зависимости от отношения сигма = масса глины/масса песка различают следующие типы почв:

1. Сигма > 1 – глинистая (>50% глины).

2. Сигма = 0.25…1.0 суглинистая (25…50% глины).

3. Сигма = 0.1…0.25 супесчаная (10…25% глины).

4. Сигма < 0.1 песчаная (<10% глины).

С увеличением соотношения сигма возрастают затраты энергии на обработку почвы, поэтому глинистые почвы относят к тяжелым, а песчаные – к легким.

Во влажном состоянии тяжелые глинистые почвы налипают на рабочие поверхности, а в сухом в них образуются крупные глыбы.

Структурные почвы – распадаются на отдельные различные по величине и форме агрегаты и залегают рыхлым слоем. Бесструктурные почвы – представляют плотную массу мелких пылевидных частиц или состоят из плотных крупных глыбистых комков.

Коэффициент структурности почвы служит для оценки качества ее обработки (формула 1).

Сложение структурных почв характеризуют скважность (пористостью) и плотностью.

Скважность – отношение объема пустот в почвы к ее общему объему. Значения скважности почв – 30…85%. Меньшие значения соответствуют песчаным, в большие – торфяным почвам.

Плотность почвы выражают отношением по формуле 2. Оптимальная плотность почвы для развития растений, г/см³: для зерновых культур 1.1-1.3, картофеля 1.0-1.2, сахарной свеклы 1.1-1.5. Оптимальная плотность для всех растений – 1.1.

Жидкая фаза.

Корни растений усваивают питательные вещества только в растворенном в воде виде.

Капиллярная влага служит основным источником питания растений. Капиллярная влага заполняет мелкие капилляры, свободно перемещается от более влажных почв к менее увлажненным как горизонтально так и вертикально.

Гравитационная влага передвигается в почве только под действием силы тяжести, просачиваясь из корнеобитаемого слоя.

Количество воды в почве оценивают абсолютной w_а или относительной w₀ влажностью. Абсолютная влажность – это отношение массы влаги m_b (воды и водянистых паров) в исходной почве к массе m_c абсолютно сухой почвы (формула 3).

Относительная влажность почвы по формуле 4.

«Физическая спелость» почвы – это состояние почвы, характеризующееся таким соотношением ее фаз, при которой почва оптимально обрабатывается. Для песчаных – 12%, для суглинистых почвы – 12-22%, черноземов – 17-30%, темно-каштановых – 15-18%.

Газообразная фаза почвы.

Воздух – необходимый компонент, обеспечивающий корни растений кислородом и углекислотой. Почвенный воздух отличается по составу от атмосферного, в нем меньше кислорода и больше углекислого газа.

Большинство растений нормально развиваются, если концентрация кислорода в почвенном воздухе 10-20%, а углекислого газа – 0.5-1.0%.

Плодородие почвы и продуктивность растений зависит от интенсивного газообмена между почвой и атмосферой, а также от соотношения объемов в почвенных порах воды и газообразной форме.

22.02.2013

Технологические основы механической обработки почвы.

Технологические свойства почвы – это физические свойства, которые существенно влияют на закономерности и характер протекания процессов ее механической обработки:

1. Прочностные.

2. Фрикционные.

3. Липкость.

4. Упругость и пластичность.

5. Вязкость и хрупкость.

Прочностные свойства почвы. Предел прочности почвы при деформации растяжения в 3-9 раз меньше, чем при деформации сжатия. Большинство рабочих органов машин разрушают почву деформациями сжатия и сдвига.

Твердость почвы – способность сопротивляться внедрению в нее твердых тел, которую измеряют твердомерами с круглыми или коническим наконечником-деформатором (лаб. Работа). Формула 1, средняя твердость, коэффициент объемного смятия.

Трение и прилипание почвы.

Трение – это сопротивление скольжению одного тела относительно другого. Сила трения – это сила сопротивления (сила реакции), вызванная действием активной силы. Сила трения равна той силе, которая ее возбуждает, и имеет предельное значение, выше которого возрасти не может. Максимального значения сила трения достигает при скольжении.

Внешнее трение – сопротивление почвы по поверхностям рабочих органов, колес и других деталей машин.

Внутреннее трение – сопротивление скольжению почвы в почве (формула 2).

Фрикционные свойства почвы.

Коэффициент трения f почвы зависит от механического состава и влажности. Для глинистой почвы f примерно в 2 раза выше, чем песчаной. Чем выше дисперсность почвы, тем больше коэффициент трения. При относительно низкой влажности (до 30%) происходит сухое трение и коэффициент трения не зависит от влажности. График зависимости коэффициента трения от содержания физической глины – график 1. При увлажнении почвы возникают силы молекулярного притяжения между почвенной влагой и материалом и происходит резкое увеличение коэффициента трения. При абсолютной влажности почвы w_a = 35-45% значение f достигает максимума.

Липкость почвы. Липкость проявляется как сопротивление скольжению почвы по поверхности рабочего органа или сопротивление при отрыве почвы от поверхности рабочего органа и при разделении почвенных слоев друг от друга. Схема прибора для определения липкости почвы – схема 1. Формула 3 – сопротивления скольжению в случае прилипания Т, Н.

Вязкость, хрупкость, абразивность.

Вязкость – свойство почвы медленно деформироваться как в функции нагрузки, так и в функции времени. Вязкость обусловлена взаимным перемещением частиц. Чем продолжительней нагрузка, тем больше деформации.

Хрупкость противоположна вязкости. У хрупких тел предел упругости не превышает предел упругости. У хрупких тел предел прочности равен пределу упругости. При увеличении скорости обработки почва проявляет более хрупких вид разрушений.

Абразивные свойства проявляются в износе рабочих органов почвообрабатывающих машин и зависят от механического состава и влажности. Общим критерием абразивности можно считать содержание в почве «физического песка». С уменьшением влажности глинистой почвы абразривность увеличивается, а песчаной почвы уменьшается. В первом случае увеличивается удельное давление, во втором – частицы не только скользят, но и перекатываются. При вспашке песчаных сильнокаменистых почв абразивный износ лемехов составляет 100-450 г/га.

Экологические требования к почвообрабатывающим машинам.

Исследованиями ученых установлено, что во многих районах России верхний наиболее плодородный слой подвергается опасности эрозии. Эрозия почвы – это процесс разрушения и сноса верхних плодородных слоев почвы под действием ветра, потоков воды и механического воздействия сельскохозяйственной техники. Частицы почвы диаметром более 1 мм принято считать почвозащитным , а менее 1 мм – эрозионно-опасными. Отношение почвозащитных частиц к эрозионно-опасным частицам 1:1 по массе воздушно-сухой почвы в слое 0-5 см принято называть порогом устойчивости к эрозии.

При увеличении содержания эрозионно-опасных частиц и уменьшении почвозащитных комочков почва начинает подвергаться ветровой и водной эрозии.

1. Рабочие органы почвообрабатывающих машин не должны создавать в почвы эрозионно-опасных частиц размером менее 1 мм.

2. Конструкция рабочих органов почвообрабатывающих машин, применяемых в районах возникновения эрозии должна обеспечивать сохранение максимально возможного количества стерни и других растительных остатков.

3. Давление движителей не должно превышать норм, установленных ГОСТ 26955-86, а ширина колеи прицепных и полунавесных машин должна соответствовать ширине колеи трактора.

4. Для защиты почв от всех видов эрозии важное значение имеют не только конструктивные особенности орудий и посевных машин, но и условия их эффективного использования.

15.03.2013

Силы, действующие на плуг и условия его равновесия.

Тяговое сопротивление плуга.

Горизонтальную составляющую Rx сопротивление плуга при вспашке В.П. Горячкин назвал тяговым сопротивлением и выразил ее трехчленом: формула 1.

Первый член формулы – сопротивление перекатыванию колес плуга весом G, кН и трение полевых досок, f_n = 0.4-1.0 – коэффициент сопротивления протаскиванию плуга в открытой борозде.

Второй член формулы – полезное сопротивление пластов почвы на корпусе плуга. Коэффициент удельного сопротивления почвы k_п = Rx’ab, где Rx’ – горизонтальная составляющая силы сопротивления, кН, на одном корпусе без учета вредных сопротивлений. Величина k_п зависит от типа почвы, а также агротехнического фона, по которому производится вспашка.

Классификация почв по удельному сопротивлению при вспашке k_п, кПа: легкие <=30, средние 30-50, среднетяжелые 50-70, тяжелые 70-120, очень тяжелые >=120.

Третий член формулы εabnν² – скоростное сопротивление, зависящее от кинетической энергии, передаваемой почвенным пластам. Коэффициент ε, кг/м³ = (Н*с²)/м⁴ скоростного сопротивления зависит от типа почвы и геометрии рабочих поверхностей плужных корпусов. При скорости вспашки до 5-7 км/ч величина третьего члена формулы Горячкина составляет более 3-4%. Среднее значение ε составляет 1500.

Удельное сопротивление плуга (формула 2). Удельное сопротивление плуг k учитывает все три составляющие тягового сопротивления, входящие в формулу Горячкина. На удельное сопротивление плуга влияют технологические свойства почвы, конструктивные параметры плуга, его регулировки и скорость движения.

Затраты энергии на вспашку почвы плугом на длине поля l, м: формула 3. То есть энергозатраты на обработку 1 м² почвы равны удельному сопротивлению плуга k, кДж/м³. Энергия, необходимая для работы плуга на площади 1 га: формула 4.

КПД плуга. Коэффициент полезного действия – отношение полезной работы ко всей затраченной. КПД плуга выражается отношением полезных сопротивлений, связанных непосредственно с выполнением технологической операции вспашки, к полному тяговому сопротивлению: формула 5. КПД для навесных и полунавесных плугов η = 0.70-0.80, прицепных плугов η = 0.65-0.70.

Условия равновесия плуга.

Плуг будет в равновесии, если суммы моментов всех действующих сил в горизонтальной и вертикальной плоскостях относительно его мгновенных центров вращения π₁ и π₂ равны нулю: формула 6. В горизонтальной плоскости устойчивость плуга зависит от направления действия «линии тяги» - вектора P_xy. При отклонении направления линии тяги от продольной оси трактора изменяется величина реакции на полевые доски плуга (возможен перекос плуга ухудшается управляемость трактора).

В вертикальной плоскости изменяя положение верхней тяги навесного устройства трактора можно догружать задние ведущие колеса (вертикальной составляющей –P_x силы сопротивления плуга) для повышения их сцепления с почвой и уменьшения буксования.

Силы, действующие на плуг: реакции на лемешно-отвальных поверхностях R_xy и R_xz, сила тяжести G, силы трения на полевых досках F, нагрузка на опорном колесе N, силы тяги трактора P_xy и P_xz.