Э К О Л О Г И Я
УДК 631.372:629.114
ВЛИЯНИЕ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ МАШИННО-ТРАКТОРНОГО АГРЕГАТА НА ЭРОЗИЮ ПОЧВЫ
Докт. техн. наук, проф. ЯЦКЕВИЧВ. В., канд. техн. наук, доц. ЗЕЛЁНЫЙ П. В.
Белорусский национальный технический университет
Пахотные земли с искусственной осушительной сетью в регионе Поозерья в северной части Республики Беларусь занимают более 600 тыс. га, из них около 70 % расположены на склонах (рис. 1).
Рис. 1. Эрозия почвы вследствие образования колеи вдоль склона местности при подкормке растений
Здесь преобладают дерново-подзолистые и дерновые глеевые, глееватые и слабоглееватые связные почвы, подстилаемые моренными суглинками. Для них характерны неоднородность почвенного покрова и степени увлажнения, сложность рельефа местности [1]. Так, для типичного случая на вершине пахотная почва может быть слабосмытой, дерново-подзолистой супесчаной на рыхлой песчанистой супеси, подстилаемой рыхлым мелкозернистым песком; на середине склона - осушенной, слабо-смытой дерново-подзолистой глееватой супесчаной на слое моренного пылевато-песча-ного суглинка с прослойками песка; в нижней части склона - дерново-глеевой, намытой связно-песчаной, с глубины 0,5 м - слой связной супеси и, наконец, у подножия склона - дерно-во-глееватой, намытой супесчаной на связной супеси, подстилаемой с глубины 0,3 м мелко-
Наука итехника, № 6, 2013
зернистым песком. Одной из причин водной эрозии почвы на пахотных землях является негативное воздействие машинно-тракторных агрегатов. При определенных условиях оно проявляется в виде глубоких колей от колес тракторов и сельскохозяйственных машин, свальных и развальных борозд плугов, агротехнических борозд при междурядной обработке культиваторами пропашных культур - картофеля, кукурузы, сахарной свеклы. Помимо осушенных земель Поозерья, и в других регионах Беларуси имеются значительные пахотные площади на склонах 3-10 град. В среднем по республике они составляют 15 %, а в отдельных ее регионах - Витебской, Гродненской и Минской областях, расположенных на географических возвышенностях, - до 19-22 % всей пахотной площади (табл. 1, рис. 2) [1].
Таблица 1
Распределение участков пашни по углу наклона рельефа
Величина интервала, град. Частотность, %, по областям
Брестская Витебская Гомельская Гродненская Минская Могилевская Республика Беларусь
Угол наклона рельефа а, град.
0-1 61,63 40,04 62,34 32,04 35,38 37,53 44,84
1-3 29,00 37,90 29,25 42,56 45,81 45,82 40,35
3-5 7,36 15,34 7,06 16,52 14,02 13,47 11,19
5-7 1,39 5,16 0,85 4,91 3,63 2,84 2,74
7-10 0,62 1,56 0,50 0,97 1,16 0,34 0,88
1 2 3 4 5 6 а, град.
Рис. 2. Осредненное распределение пахотных участков по углу наклона рельефа в Республике Беларусь
Кроме того, участки пахотных полей со сложной конфигурацией и короткой длиной гона до 300 м в республике составляют около 13 % всей площади, а в Витебской области, наиболее типичной по рельефу для региона Поозерья, - даже до 33 %.
Одним из видов эрозии почвы на пахотных землях является смыв плодородного слоя почвы на склонах в период весенних и осенних полевых работ, когда естественная влажность почвы достигает максимальных значений, а также в летние месяцы дождливых лет. Влажность обрабатываемого слоя почвы при этом может составлять 30-35 % у подножия склона и 10-15 % - у его вершины (рис. 3).
1
2
о
И
Р
, Is"
й :v0
ч Ш
•1Ф 1 | 2 | 3 | 2 | 3 1 | 2 | 3 1 | 2 | 3 1 | 2 | 3
Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь
Рис. 3. Изменение сезонной влажности на различных элементах склонов [2]
Кроме того, как было указано выше, меняется и физико-механический состав почвы. Ее максимальная влажность наблюдается в весенний период - в апреле и начале мая, а также в осенний - в конце августа и сентябре. В это время при возделывании сельскохозяйственных культур выполняются различные виды операций применительно к конкретным культурам (табл. 2). Эти данные затем можно спроециро-
вать на график изменения влажности почвы в различное время года (рис. 3). Видно, что начало весенних и осенние полевые работы вынужденно проводятся в наиболее неблагоприятные по опасности водной эрозии периоды высокой влажности, особенно у подножия склонов.
Таблица 2
Примерные сроки возделывания сельскохозяйственных культур
Вид операции Срок работ
Яровые
Лущение стерни (8-10 см) 11.08-20.08
Зяблевая вспашка (20-22 см) 21.08-30.08
Ранневесенняя культивация с боронованием (10-12 см) 11.04-13.04
Внесение удобрений 16.04-20.04
Предпосевная культивация (8-10 см) с выравниванием и прикатыванием 16.04-20.04
Посев с внесением минеральных удобрений 16.04-20.04
Боронование всходов 11.05-15.05
Опрыскивание посевов (химпрополка) 11.05-15.05
Уборка комбайном 01.08-10.08
Подбор валков соломы с прессованием 01.08-10.08
Подбор тюков соломы 01.08-10.08
Картофель
Лущение стерни 11.08-20.08
Внесение минеральных удобрений 11.09-15.09
Зяблевая вспашка 11.09-15.09
Культивация зяби 11.09-15.09
Ранневесенняя культивация 11.04-13.04
Внесение минеральных удобрений 16.04-20.04 и 26.04-30.04
Внесение органических удобрений 26.04-05.05
Запашка органических удобрений с боронованием 26.04-05.05
Предпосевная нарезка гребней 26.04-5.05
Посадка картофеля 26.04-5.05
Довсходовое рыхление 06.05-15.05
Довсходовое рыхление на 8-10 см 21.05-30.05
Окучивание с боронованием 01.06-10.06
Окучивание 21.06-30.06
Опрыскивание посевов 16.07-20.07 и 26.07-30.07
Удаление ботвы 11.09-30.09
Выкапывание клубней 16.09-5.10
Уборка комбайном 16.09-5.10
Наука итехника, № 6, 2013
В таких разнообразных условиях воздействие ходовой системы колесных тракторов и сельскохозяйственных машин проявляется в двух аспектах - образовании глубокой колеи или недопустимом уплотнении почвы (рис. 4). Для условий развития водной эрозии почвы представляет интерес первый аспект. В этом случае возникновение на склоне глубокой колеи или борозд от рабочих орудий активизирует интенсивный сток воды, особенно если движение машинно-тракторного агрегата направлено не вдоль горизонталей склона, а поперек их. Такая траектория движения особенно характерна при подкормке злаковых культур широкозахватными сельскохозяйственными машинами или же междурядной обработке пропашных культур окучниками. Толщина наносов плодородного слоя у подножия склона может достигать 10-20 см на площади в десятки квадратных метров (рис. 5), что приводит их к выводу из севооборота на целый сезон и снижению общего объема продукции (рис. 6). Одновременно снижается урожайность сельскохозяйственных культур на вершине склона из-за истощения гумуса и влажности ниже оптимальной.
Рис. 4. Колея на склоне - причина последующей водной эрозии почвы
Таким образом, отклонение траектории движения машинно-тракторного агрегата от горизонталей местности является одной из основных причин развития водной эрозии почвы [3]. Ее вызывает высокая скорость стекания воды по склонам и складкам местности между ними, превышающая возможность ее поглощения почвой, особенно во время обильных дождей и снеготаяния в весенний период. Обычно со склонов стекает до 30 % осадков, которые, со-
Наука итехника, № 6, 2013
бираясь в струйки и ручейки, перемещают вниз по склону мелкие глинистые частицы почвы, образуя ее поверхностный смыв, достигающий за год объема до 220 т с одного гектара. Это приводит к ухудшению плодородия используемых земельных угодий, особенно с маломощным почвенным горизонтом, равным на некоторых склонах всего 0,10-0,15 м, а также выводит из хозяйственного оборота значительные площади вследствие обнажения бесплодных слоев грунта.
Рис. 6. Деградированный водной эрозией участок поля у подножия склона (оценка размеров сетки трещин -по формату записной книжки 8x12 см)
Сток воды со склонов является и одной из причин постепенного уменьшения растворимых в почве питательных веществ. Это явление по своему негативному воздействию можно сравнить со срезанием пахотного слоя при мелиоративных работах. Например, срезание легкосуглинистой почвы на глубину 12 см приводит к ее уплотнению с 1,09 до 1,21 г/см3, снижению содержания гумуса на 58 %, азота, фосфора и калия - соответственно на 62,5; 36,7 и 44,0 %. Урожайность ячменя при этом может
снизиться от 10 до 50 % в зависимости от толщины срезаемого слоя [4]. По другим данным, красноземы, расположенные на склоне 0,245 рад., теряют за год в результате смыва гумуса в количестве, эквивалентном запасу питания на 21 год, что требует его систематического восстановления путем внесения органических и минеральных удобрений.
Одним из основных мероприятий по ослаблению водной эрозии почвы пахотных земель при их обработке на склонах является создание машинно-тракторных агрегатов с высокой курсовой устойчивостью вдоль горизонталей местности, исключающей образование борозд, уклон которых превышает допустимый. Величина допустимого угла отклонения траектории движения агрегата от горизонталей местности определяется соотношением [3]
. г sinu
sin^ =-i-,
sin а
где с, - угол отклонения траектории агрегата от горизонтали; |J - уклон траектории; а - угол склона (рис. 7).
рад. 0,140 |
0,105
0,070
0,035
0
Л ц = 0,008 )
\ V
V \ V ц = с ',0050
\ ц = 0,0015
0,087 0,175 0,262 а, рад.
Рис. 7. Допустимые отклонения траектории агрегата от горизонтали местности в функции крутизны склона для различных допустимых уклонов траектории
Поверхностный смыв почвы с выносом частиц диаметром 0,0025 мм наблюдается уже при уклоне 1§|а = 0,0050. Следовательно, отклонение траектории агрегата от горизонтали на 0,0175 рад на склоне 0,2600 рад. приводит к образованию борозд, уклон которых допускает появление эрозийных процессов почвы. Действительное же отклонение траектории движе-
ния агрегата на таком склоне значительно превышает указанную величину даже при стабилизации остова и ходовой части специального пропашного горно-равнинного трактора в вертикальной плоскости [3]. По другим данным, поверхностный размыв почвы начинается уже при уклоне 0,0015 и прекращается только при уклоне 0,0003. Для сравнения, в мелиоративных сетях в условиях высотных морено-озерных ландшафтов Поозерья уклон составляет 0,020-0,050, а низменных озерно-ледниковых -0,002-0,010 [4]. Эти цифры дают ориентиры для жестких требований к траекторной точности курсового движения машинно-тракторного агрегата на склоне.
Движение трактора с перекосом его продольной оси к направлению движения и соответственно сельскохозяйственной машины на поперечном склоне, характеризуемое курсовыми углами, чревато также рядом других нежелательных последствий. При этом ухудшается агротехническая проходимость в междурядьях пропашных культур, нарушается технология выполняемого сельскохозяйственного процесса из-за изменения расстояний между образуемыми на поверхности поля рядками и кромками рабочих органов. В результате снижаются технико-экономические показатели машинно-тракторного агрегата вследствие возрастания сопротивления его движению и уменьшения ширины захвата.
В соответствии с требованиями механизированной междурядной обработки пропашных культур колеса трактора и рабочие органы машины не должны внедряться в защитные зоны культурных растений. Величину защитных зон определяют среднеквадратичные отклонения растений и траекторий рабочих органов машины, возрастающие с увеличением крутизны склона, а также конструкция рабочих органов, глубина обработки и вид выполняемой технологической операции. При культивации междурядий в равнинных условиях ширина защитных зон растений составляет 0,06-0,25 м в зависимости от конструкции и назначения почвообрабатывающих лап. Их положение в междурядьях является основой системы координат для отсчета углов отклонения продольной оси трактора и колес (рис. 8). Исходя из геометрических соотношений, допустимые значения курсового угла движения трактора
Наука итехника, № 6, 2013
tgP =
0,5С -S3-0,5bn± /'„tgQj L + rn+a p
где С - ширина междурядий; Ь - длина продольной базы трактора; ар - расстояние лап от оси задних колес; £з - защитная зона растений; Ъ„ - ширина профиля шины; г„ - радиус передних колес; 01 - корректирующий угол поворота переднего колеса для обеспечения заданного траекторного движения.
Рис. 8. Схема к определению допустимого курсового угла машинно-тракторного агрегата в междурядьях
Величина угла ©1 не должна превышать 0,027-0,017 и 0,046-0,036 рад. соответственно для междурядий 0,7 и 0,9 м. Приведенные допустимые углы «перекоса» трактора в агрегате с навесным культиватором в междурядье вычислены при условии абсолютно жесткой связи между ними. Однако в действительности навесная система трактора допускает некоторое поперечное смещение машины относительно остова вследствие выбирания зазоров и упруго-стей под действием боковой составляющей от их веса. Это дополнительно ограничивает величину допустимого курсового угла движения трактора в функции крутизны склона исходя из требований защиты пахотного горизонта почвы от водной эрозии. Так, при максимальном склоне в 10 град. уклон траектории движения МТА не должен превышать 0,1, а отклонение
Наука итехника, № 6, 2013
от горизонталей местности - 0,5 град. Устойчивое движение машинно-тракторного агрегата исходя из требований агротехники и противоэрозийной защиты на склонах до 0,262 рад. характеризует совокупность показателей в радианах не более: угол отклонения вектора скорости от горизонталей местности - 0,005-0,017; курсовой угол трактора - 0,017-0,027, машины -0,015-0,028.
Показатели курсовой устойчивости являются функциями многих переменных: крутизны склона, физико-механических свойств грунта, давления воздуха в шинах нагрузки на колеса, распределения веса трактора между мостами и бортами колес, типа межосевых и межколесных связей, координат приложения крюкового усилия и его величины. Из этого множества факторов одними из основных являются остов и ходовая часть трактора в поперечной плоскости. По мере приближения трактора от нормального к вертикальному положению курсовой угол и угол отклонения траектории существенно улучшаются. Так, на склоне 0,26 рад. однолетней залежи их абсолютное значение уменьшается в 2,4 раза. Дополнительный эффект дает блокировка дифференциала за счет снижения буксования и связанного с этим бокового сдвига почвы, особенно на почве, подготовленной под посев сельскохозяйственных культур. Практика показывает, что зерновые, технические и масленичные культуры возделывают на склонах до 0,262 рад. при некоторой дифференциации по видам культур, например для сахарной свеклы - 0,123 рад., картофеля и кукурузы - 0,198 рад., кормовых - 0,245 рад. Предельный угол склона для сеяных трав составляет 0,85 рад. Этим цифрам соответствуют тысячи гектаров пахотной земли, подвергаемых водной эрозии.
Исходя из этого, необходимо создание специальных модификаций универсально-пропашных тракторов со стабилизацией остова в вертикальном положении для работы на склонах. В условиях Беларуси их реальный расчетный угол находится в пределах 10 град. (табл. 1, рис. 1). В этой области в республике накоплен значительный опыт научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Их результатом явилось создание в 1980-е гг. крутосклонной модификации универсально-пропашного трактора МТЗ-82К. Стабилизация его
остова в вертикальном положении при работе на склонах обеспечивается за счет дополнительных поворотных редукторов и системой их управления с гидравлическим приводом (рис. 9). Модернизированный вариант такого трактора, созданный в содружестве МТЗ и БНТУ, отличается от предшественника улучшенными характеристиками - унифицированной кабиной, сохранением продольной базы и колеи серийной модели трактора МТЗ-82. Они достигнуты путем новой схемы механизма стабилизации остова, в основу которой положен принцип перемещения нижнего по склону колеса при неподвижном колесе противоположного борта (рис. 10) [5]. Одновременно модернизирована навесная система трактора, обеспечивающая коррекцию навесной машины относительно поверхности склона (рис. 11). По сравнению с трактором МТЗ-82К улучшены такие параметры, как продольные база и габарит, а соответственно и минимальный радиус поворота, увеличены предел регулирования колеи задних колес и поперечный габарит жизненного пространства в кабине для водителя. По габаритам сдвоенные бортовые редукторы системы стаби-
Рис. 9. Сдвоенный, раскладывающийся при стабилизации, редуктор горно-равнинной модификации трактора: 1 - первая часть редуктора, установленная на рукаве заднего моста с возможностью поворота силовым цилиндром; 2 - рукав заднего моста; 3 - фланец крепления рукава к корпусу заднего моста; 4 - ведущий вал редуктора; 5 - сдвоенная паразитная шестерня;
6 - вторая часть редуктора, поворотно сочлененная с первой и кинематически связанная с остовом; 7 - цилиндрический шарнир сочленения частей редуктора; 8 - опорный вал со ступицей колеса; 9 - шестерни редуктора; 10 и 11 - тяга и рычаг кинематической связи второй части редуктора с остовом; 12 - силовой цилиндр;
13 - кронштейн присоединения тяги к остову
лизации расположены (спрятаны) в ободьях задних колес, что не нарушает общий дизайн и сохраняет стандартную минимальную колею. Такой трактор может работать на равнине и склонах до 20 град., что для условий Беларуси даже является избыточным. Это повышает степень его универсальности по сравнению с серийной базовой моделью и позволяет применить к его названию термин «горно-равнинный» (табл. 3).
Следует отметить, что некоторое увеличение эксплуатационной массы обеих модификаций тракторов для работы на склонах по сравнению с серийной за счет дополнительных бортовых редукторов с приводом их поворота и механизма коррекции навесной системы обеспечивает повышенные тягово-сцепные показатели, необходимые для работы в условиях сложного рельефа местности. Курсовой угол трактора при стабилизации его остова и колес в вертикальном положении составляет на склоне 0,175-0,262 рад величину в 0,05-0,07 рад, что существенно меньше, чем у серийной модели без системы стабилизации (1 рад примерно равен 57,3 град.). Однако такая сложная задача вождения по горизонталям местности для современных конструкций машинно-тракторных агрегатов и систем управления ими оператором в ручном режиме практически трудноразрешима. Поэтому сохраняется опасность ухудшения качества плодородного слоя почвы и даже вероятность его потери для сельскохозяйственного использования вследствие смыва гумуса и эрозии. Выполнение таких требований в перспективе возможно путем автоматического регулирования ширины захвата рабочего орудия в функции крутизны склона при максимальном его значении только на горизонтальной поверхности.
Наука итехника, № 6, 2013
Рис. 10. Горно-равнинная модификация трактора МТЗ-82 с унифицированной кабиной и передним мостом с изменяемой геометрией
Рис. 11. Горно-равнинный трактор с механизмами автоматической стабилизации остова в вертикальном положении и корректировки сельхозмашины параллельно поверхности поля на склоне
Таблица 3
Характеристики инновационных модификаций трактора «Беларусь»
Выбор и организацию способа движения МТА позволяет, например, известная программа AutoCAD. Для этого необходима соответствующая база данных: геометрический очерк и размеры полей на основе картограммы, ширина захвата агрегата и вид его движения, например «загонный», «беззагонный» или «го-новый», с диагональным или круговым направлением, а также способ разворота агрегата для прямого и обратного хода. В сложных условиях на разворот затрачивается до 30-40 % сменного рабочего времени, что приводит к существенному снижению производительности. При моделировании процесса поворота на основании
принятой его схемы - «беспетлевой», «грушевидной» или «грибовидной» и их вариантов, а также наличия естественных препятствий и кинематической ширины агрегата определяется ширина поворотной полосы. Таким образом, на начальном этапе моделируется движение МТА, рассчитываются количество и направленность необходимых гонов.
В перспективе для исключения субъективного фактора при выборе оптимальной, с точки зрения противоэрозионной защиты траектории движения МТА на почвообрабатывающих операциях, необходима разработка системы под условным названием «Агронавигатор» через спутниковую связь по аналогии с автомобильными навигационными системами. Одновременно это будет способствовать улучшению технико-экономических и социальных показателей - снижению энергозатрат на передвижение без подъемов и спусков, сохранению плодородия почвы, улучшению условий труда водителя и безопасности его труда.
В Ы В О Д
Большинство технологических операций по возделыванию сельскохозяйственных культур в Республике Беларусь выполняется в сложных природных условиях. Основными из них являют-
Отличительные параметры Модификация трактора МТЗ-82
Горноравнинная Крутосклонная Серийная
Продольный габарит, м 4,06 4,45 4,00
Продольная база, м 2,45 2,90 2,45
Колея задних колес, м 1,40-2,10 1,60-2,10 1,40-2,10
Радиус поворота, м 4,30 4,70 4,10
Внутренний размер кабины, м 1,35 (серийная) 0,93 (специальная) 1,35
Масса эксплуатационная, кг 5140,00 5080,00 4050,00
Наука итехника, № 6, 2013
ся рельеф местности со склонами до 10 град., неравномерная влажность по длине склона от вершины к подножию, достигающая трехкратных значений и меняющаяся в течение вегетационного периода развития растений, а также глубокая колея от ходовой системы машинно-тракторного агрегата и отклонение траектории его движения от горизонталей местности. Комбинированное воздействие всех этих факторов способствует развитию водной эрозии -смыву плодородного слоя почвы к подножию склона. Современные технологии сельскохозяйственного производства и конструкции машинно-тракторных агрегатов в определенных неблагоприятных условиях могут провоцировать развитие таких процессов. Для их минимизации необходимо внедрение инновационных технологий обработки почвы, направленных, прежде всего, на организацию движения машинно-тракторных агрегатов исключительно по горизонталям местности. Допустимое отклонение от них в зависимости от углов наклона местности в условиях полей Беларуси составляет 0,02-0,08 рад. Это предъявляет высокие требования к курсовой устойчивости трактора. Такими качествами обладают тракторы с автоматически изменяемой геометрией
ходовой системы, стабилизирующейся в вертикальном положении. Предпосылки к их созданию обоснованы и апробированы на опытных образцах крутосклонной и горно-равнинной модификаций универсально-пропашных тракторов «Беларусь», которые предназначены для работы на полях со сложным рельефом.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Кринко, М. С. Системный анализ эффективности скоростных тракторов в сложных полевых условиях / М. С. Кринко. - Минск: Наука и техника, 1980. - 208 с.
2. Водный режим почвы и продуктивность сельскохозяйственных культур на склоновых землях Поозерья / П. Ф. Тиво [и др.] // Мелиорация переувлажненных земель. - 2007. - № 2. - С. 92-98.
3. Хачатрян, Х. А. Стабильность работы почвообрабатывающих агрегатов / Х. А. Хачатрян. - М.: Машиностроение, 1974. - 206 с.
4. Макоед, В. М. Влияние рельефа мелиоративных объектов на формирование поверхностного стока в условиях белорусского Поозерья / В. М. Макоед, Г. В. Хмелев-ская, О. Н. Куканова // Мелиорация. - 2012. - № 1 (67). -С. 50-60.
5. Бортовой редуктор крутосклонного транспортного средства: а. с. 918161 СССР / П. В. Зелёный, И. П. Ксе-невич, П. А. Амельченко, В. В. Гуськов, В. В. Яцкевич, В. Ф. Пронько, В. П. Зарецкий // Бюл. изобр. - 1982. -№ 13.
Поступила 02.05.2013
УДК 661.882
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ВОДЫ ФОТОКАТАЛИЗАТОРОМ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО ТИТАНА С НАНОРАЗМЕРНЫМИ ЧАСТИЦАМИ ДИОКСИДА ТИТАНА
Докт. техн. наук, доц. ПИЛИНЕВИЧЛ. П.1, канд. техн. наук, доц. МАРЦУЛЬ В. Н.2),
асп. ЗАЛЕССКАЯ М. В.1
1 Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники,
2Белорусский государственный технологический университет
Очистка воды от загрязнений, содержащих различные органические вещества и их соединения, вирусы и бактерии, - одна из основных проблем, стоящих перед мировым сообществом. Анализ методов очистки и обезврежива-
ния воды показал, что наиболее эффективным методом является очистка с помощью фотокатализатора на основе диоксида титана. Однако, несмотря на то что в последнее время опубликовано много работ, посвященных исследова-
Наука итехника, № 6, 2013