Міф 1: призначення оранки
Існує усталене твердження, що основним призначенням цього технологічного прийому є розпушування грунту і загортання у нього на глибину рослинних решток та насіння бур’янів.
Проте, по-перше, розпушування грунту не обов’язково здійснювати з обертанням скиби. Сучасні безполицеві робочі органи здатні вирішувати це завдання не тільки на такому ж, але навіть і на вищому рівні. По-друге, загортання у грунт насіння не всіх бур’янів обумовлює зменшення їх шкодочинності. Вовчок, наприклад, як облігатний підземний паразит потрапляє при цьому у кращі умови виживання, ніж на поверхні агротехнічного фону.
А от стосовно загортання рослинних решток на глибину, то цей процес є вкрай необхідним. Перш за все для утворення гумусу. Саме тому визначний ґрунтознавець В. Р. Вільямс вказував, що оранку слід здійснювати зразу ж після збирання урожаю тієї ти іншої сільгоспкультури. Ця категорична вимога вченого обумовлена тим, що процес анаеробного утворення гумусу потребує значної кількості органічної сировини у вигляді коренів, стебел рослин тощо. При затримці їх загортання у грунт вони (особливо корені) значною мірою розкладаються під дією аеробних бактерій. І чим довшою є затримка проведення оранки, тим менше залишається потенційної сировини для основних виробників гумусу, якими є анаеробні бактерії.
Звідси випливає висновок, що оранка є таким технологічним прийомом, який дозволяє відтворити структуру грунту шляхом відповідної його гуміфікації. Як не дивно, але такий погляд на оранку, більш повно описаний у роботах, є нині не популярним, а для багатьох — і не зрозумілим. Ба більше, чимало аграріїв вбачають у цьому прийомі обробітку грунту лише шкоду. Щоправда, правомірність цього їх погляду базується на іншому міфі.
Міф 2: періодичність
проведення оранки
До недавнього часу загальноприйнятим правилом було щорічне застосування цього технологічного прийому. Водночас, згідно з ученням В. Р. Вільямса, завданням оранки є переміна місцями верхнього (8…10 см) деструктурованого і нижнього структурованого шарів грунту. При цьому слід зазначити, що за один рік відновлення структури нижнього ґрунтового горизонту не відбувається. Для цього потрібно значно більше часу.
Напрошується однозначний висновок, що для відновлення структури верхнього шару грунту оранку слід здійснювати обов’язково, але не щорічно, а один раз на кілька років.
Для визначення настання цього моменту пропонується використовувати коефіцієнт структурності грунту Кс:
де Ma — маса ґрунтових частинок діаметром 0,25…10,0 мм;
Mo — маса ґрунтових частинок, діаметр яких менший за 0,25 мм і більший за 10,0 мм.
Методика визначення показника Kc дуже проста, а сам процес отримання його значення не трудомісткий. Рішення щодо необхідності проведення оранки приймається тоді, коли значення коефіцієнта структурності ґрунту Кс < 0,67. У протилежному випадку, тобто коли Кс ≥ 0,67, оранку здійснювати не слід, а завдання розпушування (за потреби!) грунту, боротьби з бур’янами тощо треба вирішувати іншим шляхом.
Міф 3: роль передплужників
Вищезгадане завдання переміни місцями верхнього деструктурованого і нижнього структурованого шарів грунту може вирішити лише плуг із передплужниками. За відсутності останніх і проведенні щорічної оранки відбувається поступове перемішування цих шарів із неминучим зниженням родючості усього орного горизонту грунту. Саме такий негативний результат маємо наразі.
Важко сказати, з яких часів минулого століття використанням передплужників аграрії почали нехтувати. Однією із причин цього негативного явища була наступна. Усупереч науково обґрунтованим вимогам оранку почали проводити пізно восени. У багатьох «господарів» до цього часу поле заростало бур’янами. За значної їх наявності плуги з передплужниками забивалися рослинними рештками, тяговий опір плуга зростав, і він погано забезпечував стабільність глибини оранки.
Вихід із цього положення аграрії вбачали лише у видаленні передплужників. Стабільність глибини оранки при цьому зростала, а от якість загортання рослинних решток у грунт була низькою. І оскільки верхній і нижній шари грунту при цьому просто перемішувалися, то у підсумку застосування такого прийому лише обумовлювало поступове погіршення структури грунту, а отже, і його родючості.
Досліджень щодо впливу передплужників на тяговий опір плуга при обробленні культурного агротехнічного фону мало. А ті, які є — знаходяться у протиріччі. Автором статті у 2016 р. були проведені спеціальні дослідження з цієї проблеми. Трактор ХТЗ-17022 агрегатували з плугом ПЛН-5–35, обладнаним передплужниками і тензометричною ланкою, електричний сигнал від якої через аналогово-цифровий перетворювач записувався у пам’ять ЕОМ. Орний агрегат на одній і тій же установленій глибині оранки (25 см) і швидкості руху (2,2 м/с) здійснював робочі ходи як із передплужниками, так і без них.
У підсумку було встановлено, що застосування передплужників сприяє зменшенню тягового опору вказаного плуга у середньому на 1,9 кН. На підставі цього можна стверджувати, що передплужники принаймні не збільшують тяговий опір плуга, що спростовує міф про «енергетичну» недоцільність їх використання.
Згідно з класичними вимогами ширина захвату передплужника має становити 2/3 ширини захвату основного корпусу плуга. Історична причина вибору такого їх співвідношення досить детально описана у роботі. З її (причини) аналізу випливає, що за умови агрегатування плуга не з живим тяглом, а з трактором, потреби у застосуванні передплужника зі зменшеною шириною захвату його лемеша немає.
З огляду на це замість плугів із передплужниками більш ефективним є застосування двоярусних плугів. У цих знарядь верхні і нижні корпуси мають однакову ширину захвату, а тому краще міняють місцями верхній і нижній шари орного горизонту, а також якісніше загортають рослинні рештки у грунт. Ба більше, верхні корпуси двоярусного плуга, на відміну від передплужників, не можна видалити. А це само собою гарантує правильне проведення такого важливого технологічного прийому, як оранка.
Міф 4: енергетичні витрати
при здійсненні оранки
Поза сумнівом, оранка є найбільш енергоємною технологічною операцією. Це є своєрідною платою за ті позитивні результати, які вона забезпечує. Водночас, за умови правильного агрегатування плуга енергетичні витрати на оранці можна суттєво зменшити.
Науковою практикою прийнято, що усі сили опору, які діють на орне знаряддя у горизонтальній площині, зосереджені у точці, яку називають «центр опору». По відношенню до поздовжньої осі симетрії трактора (OY, рис. 1) ця точка може займати три положення. А саме:
1) бути правіше вказаної осі на відстані d (т. D1);
2) знаходитися у площині, яка проходить через цю вісь (т. Dо);
3) розташовуватися лівіше осі ОY на відстані d (т. D2).
При розташуванні «центру опору» плугау т. D1 (рис. 1) силу тяги трактора Т1, прикладену до орного знаряддя у вказаній точці, можна розкласти на дві складові: поздовжню Т1v і поперечну Т1r. Перша із них здійснює корисну роботу — переміщує орне знаряддя у напрямку руху енергетичного засобу. Друга ж складова (тобто Т1r) є непродуктивною, оскільки додатково притискує плуг польовими дошками до стінки борозни. Це відповідним чином збільшує силу їх тертя об грунт (Ftr) і у підсумку підвищує тяговий опір орного знаряддя, а значить і питомі витрати пального.
Рис. 1. Схема дії тягових зусиль (Т1, То, Т2) трактора на плуг за
різних варіантів розташування його «центру опору» (т. D1, Do, D2)
Природа сили Ftr є наступною:
∑Py, ∑Px — поперечна і поздовжня суми сил, які діють на корпуси плуга збоку ґрунтового середовища;
ftr — коефіцієнт тертя сталі по грунту;
С і d — конструктивні параметри, зрозумілі із рис. 1.
Згідно з виразом (1) зростання непродуктивної сили тертя польових дощок плуга об стінку борозни Ftr тим більше, чим більшим є правостороннє зміщення «центру опору» плуга d. А останнє, своєю чергою, є тим більшим, чим більша ширина ходової системи трактора (сума колії і ширини рушія) по відношенню до ширини захвату орного знаряддя.
Тепер розглянемо варіант розташування «центру опору» плуга у т. Dо, яка знаходиться у площині, що проходить через поздовжню вісь симетрії трактора. Навіть нині більшість науковців, а з ними і практиків необґрунтовано вважають таку схему агрегатування плуга найкращою.
Водночас, в реальних умовах експлуатації положення сили тяги трактора То у точці Dо (рис. 1) є миттєвим. Справа в тому, що плуг, як відомо, приєднується до енергетичного засобу не жорстко, а шарнірно: за дво- чи триточковою схемами. Згідно з канонами теоретичної механіки орне знаряддя при цьому фактично є фізичним маятником, який у ґрунтовому середовищі має можливість здійснювати незалежні кутові коливання у горизонтальній площині відносно поздовжньої осі симетрії трактора. Останній, своєю чергою, під час робочого руху теж реалізує власну незалежну ступінь вільності — кутовий (курсовий) поворот. У підсумку між поздовжніми осями симетрії трактора і плуга завжди існує кут, нульова значина якого є миттєвою (перехідною) і, звісна річ, випадковою.
А оскільки це так, то в реальних умовах експлуатації орного МТА точка Do знаходиться у перемінному положенні: правіше осі ОY, у площині, яка проходить через цю вісь і лівіше її.
Останній варіант розглянемо більш ретельно. За умови агрегатування плуга з розташуванням його «центру опору» у т. D2 (рис. 1) силу тяги трактора Т2 теж можна розкласти на дві складові: поздовжню Т2v і поперечну Т2r. Як і у варіанті з т. D1, перша із цих сил здійснює корисну роботу — переміщення орного знаряддя у напрямку руху енергетичного засобу. Друга складова теж є ефективною, оскільки вона намагається «відштовхнути» плуг від стінки борозни. У підсумку це сприяє розвантаженню його польових дощок, через що зменшується сумарна сила їх тертя об грунт, буксування рушіїв трактора і питомі витрати пального орним машинно-тракторним агрегатом [4, 5].
Природа сумарної сили Ftr при цьому змінюється і стає такою:
Аналіз виразу (2) показує, що для зменшення непродуктивної сила тертя польових дощок плуга об грунт слід збільшувати лівостороннє зміщення «центру опору» плуга d. Водночас, за певної величини цього зміщення сила Т2r може зрости настільки, що обумовить втрату рівноваги орним знаряддям у горизонтальній площині. Уникнути цього явища можна за наступної умови [4]:
де φ — кут тертя грунту об стінку польової дошки;
γ — кут, утворений лезом лемеша плуга зі стінкою борозни.
Приведений вище аналіз показує, що варіант із розташуванням «центру опору» плуга у площині, яка проходить через поздовжню вісь симетрії трактора OY, не є найкращим. При його застосуванні т. Do знаходиться то правіше, то лівіше осі OY. Внаслідок цього тяговий опір плуга за своєю значиною постійно коливається відносно тієї, яка місце при розташуванні його «центру опору» у т. Dо.
У варіанті постійного лівостороннього зміщення «центру опору» плуга у горизонтальній площині відносно поздовжньої осі трактора із дотриманням умови (3) маємо найменший тяговий опір орного знаряддя з усіма, обумовленими цим моментом, позитивними наслідками. Тобто зі зменшенням буксування рушіїв трактора і питомих витрат пального орним машинно-тракторним агрегатом.
Проте слід пам’ятати, що таке агрегатування плуга можливе лише за умови, коли ширина захвату плуга буде більшою за ширину ходової системи трактора. Цей параметр, як уже підкреслювалось вище, є сумою значин колії енергетичного засобу і ширини його рушія.
Розглянемо наступний приклад. Трактор серії ХТЗ-170 на практиці використовується з плугами, ширина захвату яких не перевищує 2,0 м (ПЛН-5–35, ПЛН-5–40 тощо). За колії 1,86 м і ширини шини 23,1R26 0,58 м ширина ходової системи вказаного енергетичного засобу становить 2,44 м, що, як бачимо, на 0,44 м перевищує ширину захвату плугів. Звідси виходить, що вказані орні знаряддя можуть приєднуватися до трактора серії ХТЗ-170 виключно з правостороннім поперечним зміщенням.
Тобто «центр опору» цих знарядь знаходитиметься не у т. D2 або Dо, а в т. D1 (рис. 1). А це незмінно буде супроводжуватися більш високим буксуванням трактора і підвищеними витратами пального орним МТА, що у дійсності має місце на практиці.
Натомість, цей же трактор, але у поєднанні з технологічним модулем може агрегатуватися із плугами, ширина захвату яких знаходиться на рівні 3,20 м (плуг ПЛН-8–40, наприклад). У цьому випадку Вр = 3,20 м > Вk + b = 2,44 м, а тому орне знаряддя до такого (тепер уже модульного) енергетичного засобу можна приєднувати з «енергетично вигідним» лівостороннім поперечним зміщенням.
Міф 5: дво- чи триточкова схеми
приєднання плуга до трактора
Досить предметно ця проблема розглянута й описана у монографії. У ній підкреслюється, що поява двоточкової схеми налаштування заднього навісного механізму (ЗНМ) трактора (і то лише гусеничного!) обумовлена проблемою його агрегатуванням з плугом. Як відомо, гусеничний енергетичний засіб змінює свій курсовий кут шляхом повороту всієї рами у горизонтальній площині. За малого кута сходження нижніх тяг його ЗНМ і більш-менш значного повороту трактора це може призводити до «викидання» плуга із борозни.
Задля забезпечення більшої повороткості плуга відносно трактора була запропонована двоточкова схема налаштування його ЗНМ. Оскільки кут сходження її нижніх тяг при цьому є більшим, то орне знаряддя зберігає стабільність свого положення у горизонтальній площині при тих максимальних кутах повороту трактора (до ± 8о), які мають місце за реальних умов роботи орного МТА.
У цілому ж триточкова система налагодження ЗНМ трактора у зв’язку з високою універсальністю є більш ефективною. Для її безпроблемного застосування при агрегатуванні енергетичного засобу (в т. ч. і гусеничного) із плугом слід вибрати правильну значину кута сходження нижніх тяг ЗНМ трактора. У роботі викладено аналітичні залежності, які дозволять вирішити це питання з урахуванням конкретних значин відповідних конструктивних параметрів того чи іншого орного машинно-тракторного агрегату.
З міфом 5 тісно пов’язаний міф 6:
положення рушіїв трактора відносно борозни
Практикою прийнято, що при роботі з плугом у зв’язку з низкою причин (у цій статті вони не розглядаються) права гусениця гусеничного трактора знаходиться поза борозною.
Колісний же енергетичний засіб на оранці, як відомо, може рухатися рушіями одного з бортів або в борозні, або поза нею. На загал переміщення трактора полем у борозні через поперечний перекіс його рами має низку негативних моментів. По-перше, нерівномірно завантажується, а отже, і нерівномірно буксують рушії його лівого та правого бортів. По-друге, розпушений грунт у борозні, по якій переміщуються рушії, небажано ущільнюється. По-третє, для комфортного положення механізатора в кабіні конструкція сидіння має бути додатково обладнана пристроєм його вирівнювання у поперечній площині.
Водночас, інколи доцільніше застосовувати саме таку схему руху енергетичного засобу у складі орного МТА. Пояснюється це наступним. Незалежно від схеми налагодження (дво- чи триточкова) «центр миттєвого повороту» ЗНМ трактора знаходиться у точці сходження його (механізму) нижніх тяг. Різниця полягає у тому, що за триточкової схеми налагодження ЗНМ енергетичного засобу ця точка є віртуальною (т. D, рис. 2), а за двоточкової — практично реальною.
Рис. 2. Схема руху орного агрегату колесами правого борту
енергетичного засобу в борозні
Теоретично вона (при погляді зверху) може займати три положення. А саме: знаходитися у площині, яка проходить через поздовжню вісь симетрії трактора (т. О, рис. 1); 2) розміщуватися правіше цієї осі на відстані D (рис. 2); 3) бути розміщеною лівіше поздовжньої осі симетрії енергетичного засобу.
Слід зазначити, що останній варіант на практиці, як правило, не застосовується. Що стосується другого — то він має місце тоді, коли
де Вр — робоча ширина захвату плуга;
Bk, b — колія і ширина рушія трактора.
Під час руху трактора колесами правого борту у борозні (рис. 2) величина поперечного зміщення (h) точки приєднання плуга від площини, яка проходить через поздовжню вісь симетрії енергетичного засобу, знаходиться із виразу:
де Во, Х — конструктивні параметри, природа яких зрозуміла із рис. 2.
У варіанті переміщення трактора рушіями правого борту поза борозною вираз для знаходження параметра h є іншим:
де А — відстань від стінки борозни до крайки коліс трактора.
У викладених вище виразах параметр h репрезентує величину d (рис. 1), характер впливу якої на енергетичні витрати орним агрегатом ми розібрали вище. Аналіз формул (4) і (5) засвідчує, що за дотримання одних і тих же умов поперечне зміщення точки приєднання плуга до трактора h менше на величину (b + 2·A) для варіанту з рухом трактора правими колесами у борозні. У зв’язку з цим за умови (4) задля зменшення енергетичних витрат на оранці доцільніше застосовувати схему руху МТА, за якої колеса одного з бортів трактора переміщуються у борозні.
До речі, вираз «…одного із бортів» замість «правого борту» почали використовувати після появи обертових плугів. Їх застосування породило ще один міф.
Міф 7: переваги застосування
обертових плугів
Єдиною задекларованою перевагою таких орних знарядь перед звичайними є можливість виконання оранки без згінних і розгінних борін. Водночас, за умови відповідної підготовленості механізатора вказана перевага орного знаряддя може бути практично повністю нівельована.
Ба, більше. За практично однакової продуктивності праці орних агрегатів на основі оборотного і звичайного плугів, несуттєвої різниці між невиробничими витратами ними часу зміни, здійсненню оранки раз у кілька років і значно вищою (у рази!) вартістю оборотного плуга техніко-економічна доцільність його придбання є недоцільною. Аналітично обґрунтовані докази цього постулату читач може самостійно знайти у роботі.
Міф 8: «плужна підошва»
Практика показує, що за одноразового використання плуга на обробітку структурованого грунту «плужна підошва» не утворюється. Вона може мати (і має!) місце за умови багаторазового здійснення оранки на одній і тій же ділянці на одну і ту ж глибину.
Звідси випливає, що появі «плужної підошви» можна запобігти за умови проведення цього технологічного прийому на тому чи іншому полі на різну глибину обробітку грунту. На оранці цей параметр варіює від 20 до 30…32 см.
Міф 9: оранка трактором,
обладнаним подвоєними шинами
За умови (4) таке конструктивне рішення є абсолютно недоцільним, оскільки шини одного з бортів трактора будуть переміщатися по розпушеному фону. Коефіцієнт їх зчеплення із грунтом буде меншим за той, який матимуть шини протилежного борту трактора. У підсумку можна отримати збурювальний розворотний момент, який буде негативно впливати на стійкість руху орного МТА у горизонтальній площині.
Використання трактора з подвоєними шинами на оранці ефективне лише тоді, коли, усупереч умові (4), робоча ширина захвату орного знаряддя (Вр) суттєво перевищує ширину ходової системи трактора:
Bp>>Bk+b.
У такому випадку подвоєння шин трактора дозволяє отримати синергетичний ефект, обумовлений як зменшенням енергетичних витрат на кочення і буксування рушіїв енергетичного засобу, так і зменшенням тягового опору плуга через його лівостороннє поперечне зміщення у горизонтальній площині.
Міф 10: плуг зі смуговими полицями
Головною перевагою такого знаряддя вважають здатність забезпечувати якісну оранку вологого грунту. Але тут виникає питання: чому слід обробляти вологе, а не спіле (і саме таке!) грунтове середовище?
Далі врахуємо ще один важливий факт. Смугові полиці основного корпусу орного знаряддя обумовлюють просіювання через них на дно борозни агрономічно цінних (0,25…10 мм) ґрунтових частинок. А це суперечить основному призначенню плуга: заміні місцями знеструктуреного верхнього і структурованого нижнього шарів грунту.
Висновки
Для запобігання міфічного сприйняття моментів, пов’язаних із використанням оранки, слід першочергово розуміти її технологічне призначення. А полягає воно у періодичному відновленні структури грунту верхнього орного горизонту шляхом його переміщення за допомогою передплужників в анаеробні умови нижнього шару.
Оскільки для відновлення структури грунту потрібен певний час, то оранку слід проводити не щорічно, а лише тоді, коли коефіцієнт структурності верхнього орного шару стане меншим за позначку 0,67.
За умови правильного агрегатування трактора з плугом можна суттєво зменшити енергетичні витрати, обумовлені проведенням такого важливого технологічного прийому обробітку грунту, яким є оранка.
