Способ восстановления суглинистых деградированных земель
Владельцы патента RU 2727828:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) (RU)
Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к сельскохозяйственному машиностроению. Способ заключается в рыхлении почвы импульсами сжатого воздуха прецизионно внутрипочвенно под углом 30-40° к горизонтальной поверхности. Обработку почвы, находящейся в состоянии физической спелости, производят ультразвуком на глубину, не превышающую глубину основной обработки почвы. При этом величина среднего звукового давления составляет PA=9324 Па и частота колебаний звукового поля равна 19762-37773 с-1. Способ позволяет проводить обработку почвы без разрушения ее структуры. 1 ил.
Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к обработке почвы без оборота пласта.
В зависимости от глубины хода рабочих органов и выполняемых операций различают основную, поверхностную и специальную обработку почвы [Карпенко А.Н., Халанский В.М. Сельскохозяйственные машины. -М.:Агропромиздат, 1989. - С.9].
Основная обработка почвы — глубокая сплошная обработка, проводимая под определенную культуру севооборота и изменяющая плотность сложение пахотного слоя и перемешивающая слои или горизонты почвы.
Основная обработка может состоять из общих приемов, например, вспашки или глубокого рыхления, так и специальных — двух- или трех-ярусной обработки, щелевания, кротования и т.д.
В зависимости от способа основную обработку подразделяют на отвальную с полным или частичным оборотом пласта, безотвальное рыхление без оборота пласта, обработку с полным или частичным перемешиванием почвы пахотного слоя.
Глубина вспашки определяется зональными особенностями, мощностью пахотного слоя и типа почвы, особенностями культуры, а также глубиной основной обработки под предшествующие культуры, засоренностью сорными растениями. Вспашку в зависимости от глубины подразделяют на мелкую — менее 20 см, обычную — 20-23 см, глубокую — 24-40 см, плантажную — более 40 см.Дерново-подзолистые почвы обрабатывают на глубину 20-22 см, хорошо окультуренные и серые лесные — на глубину до 26-28 см, черноземные почвы под пропашные культуры пашут на глубину до 28-32 см [https://universityagro.ru/земледелие/приемы-основной-обработки-почвы/31.01.2020].
Важнейшей технологической операцией является рыхление почвы. Плуги для оборота пласта в пределах своей борозды и с его смещением на сторону, чизельные плуги, дискаторы, лущильники, культиваторы, бороны, фрезы рыхлят почву за счет механического воздействия различного рода рабочих органов.
Известен плуг-рыхлитель ПЧ-4,5, на раме которого можно установить от девяти до одиннадцати рыхлителей [Карпенко А.Н., Халанский В.М. Сельскохозяйственные машины.-М.:Агропромиздат, 1989.-С.31]. Рыхлитель состоит из стойки, обтекателя, долота или стрельчатой лапы.
При работе рыхлителя, состоящего из стойки, обтекателя и долота, в процессе работы формируется зона блокированного резания и зона возмущенного состояния. Зона возмущенного состояния располагается в поверхностном слое почвы. Ее размеры зависят от геометрических параметров рабочего органа глубокорыхлителя и внутреннего угла трения почвы. В тоже время, зона блокированного резания зависит только от геометрических параметров рабочего органа. Частицы почвы зоны блокированного резания, находящиеся впереди рабочего органа, разрушаясь, вдавливаются в ее боковые стенки [Труфанов В.В. Глубокое чизелевание почвы/ В.В.Труфанов.-М.:Агропромиздат,1989, 139с].
Считается перспективным рыхление почвы за счет воздушного потока. Так, известно устройство для обработки почвы пульсирующим сжатым воздухом. Импульсы сжатого воздуха выходят из наконечников щелевателя и обеспечивают рыхление зоны блокированного резания почвы [Пат. РФ № 183739, МПК А 01 В 49/00, 2018].
Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ обработки почвы прецизионно внутрипочвенно под углом 30-40 импульсными ударами сжатого воздуха высокотурбулентного действия [Пат. РФ № 2711598 А01В 79/00, 2020. Способ восстановления деградированных почв / Лобачевский Я.П., Ахалая Б.Х., Старовойтов С.И., Золотарев А.С.].
К недостаткам известного способа можно отнести некачественное рыхление зоны блокированного резания, возникающую при проходе чизельных орудий, достаточно большую энергоемкость рыхления, невозможность осуществлять рыхление почвы без внешнего механического воздействия рабочего органа.
Формулировка «импульсные удары сжатого воздуха высокотурбулентного действия» носит также общий декларативный характер и не раскрывает суть технологического воздействия сжатого воздуха.
Частота воздействия сжатого воздуха может быть соизмерима частоте собственных колебаний обрабатываемого слоя почвы или на порядок выше, вызывая процесс кавитационного разрушения. При акустическом кавитационном процессе, возникающем при прохождении через среду колебаний звуковой волны, происходит образование и схлопывание воздушных полостей.
Процесс образования и схлопывания полостей зависит от многих факторов, в том числе от свойств почвы и параметров звуковой волны. Свойства почвы,как объекта обработки, можно выразить через такие физические параметры как плотность среды, модуль упругости первого рода, коэффициент Пуассона, скорость распространения звуковой волны. К параметрам звуковой волны относят частоту и звуковое давление. Эти два параметра являются определяющими при разработке и проектировании установки для рыхления почвы за счет кавитационного разрушения. Рабочий орган для рыхления почвы за счет кавитационного разрушения включает газоструйный резонатор, в состав которого входит сопло и, собственно, резонатор, конструктивные величины которых зависят от параметров звуковой волны.
Технической задачей изобретения является повышение качества обработки почвы путем определения величины среднего звукового давления и частоты колебаний звукового поля для обработки, в частности, суглинистых почв, находящихся в состоянии физической спелости.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе восстановления суглинистых деградированных земель, заключающимся в рыхлении почвы импульсами сжатого воздуха прецизионно внутрипочвенно под углом 30-40 к горизонтальной поверхности, согласно изобретению, обработку почвы, находящейся в состоянии физической спелости, производят ультразвуком на глубину, не превышающую глубину основной обработки почвы, при этом величина среднего звукового давления составляет 
Па и частота колебаний звукового поля равна 19762…37773с-1.
Способ поясняется чертежом, на котором представлен график зависимости частоты колебаний звукового поля от величины абсолютной влажности суглинистой почвы в интервале физической спелости суглинистой почвы при частоте колебаний звукового поля 19762…37773с-1.
Почвы Центрального федерального округа, гранулометрический состав которых в большей степени представлен суглинками (среднем до 50…60 %), относятся к почвам южно-таежной зоны. Такие виды почв относятся к средним по степени трудоемкости обработки и изучение перспективных видов воздействия с целью разрушения обрабатываемого слоя является актуальной задачей [Ковалев Н.Г., Хайлис Г.А., Ковалев М.М. Сельскохозяйственные материалы.-М.: ИК «Родина», журнал «Аграрная наука», 1998.-С.14;].Физическая спелость суглинистой почвы соответствует величине абсолютной влажности, находящейся в интервале 16%...23%.
Способ восстановления суглинистых деградированных земель заключается в том, что обработку суглинистой почвы, находящейся в состоянии физической спелости, производят ультразвуком на глубину, не превышающую глубину основной обработки почвы. При этом величина среднего звукового давления составляет Па и частота колебаний звукового поля равна 19762…37773 с-1.
Определение величины среднего звукового давления и частоты колебаний звукового поля с учетом реализации способа восстановления деградированных земель осуществляется следующим образом.
Интенсивность процесса кавитации по предложению Б.А. Агроната предложено оценивать с помощью следующего выражения [Агранат Б.А. Основы физики и техники ультразвука.-М.:Высшая школа,1987.-352с.;]
(1)
где 
- безразмерный критерий;
-среднее звуковое давление, действующее на полость в фазе сжатия, Па;
- гидростатическое давление, Па;
- давление насыщенного пара почвенного раствора, Па.
Анализ выражения (1) показал, что критерий принимает максимальное значение при соотношении
(2)
С учетом выражения (2) и величины гидростатического давления слоя почвы величина среднего звукового давления при котором, возможно, интенсивность процесса кавитации будет максимальной
(3)
где 
-плотность почвы, кг/м3;
- глубина обработки, м;
-ускорение свободного падения, м/с2.
В то же время величина среднего звукового давления
(4)
где с - скорость распространения звуковой волны, м/с;
- циклическая частота, с-1;
- амплитуда смещения звуковой волны, м.
Наиболее энергоемкой деформацией разрушения почвы является деформация сжатия. Силам сжатия противодействуют все виды сцепления почвы. К ним относятся силы сцепления твердых частиц, химические связи, менисковые силы поверхностного натяжения воды, силы трения зацепления и прилипания.
Чтобы в почвенном растворе обрабатываемого слоя в процессе кавитации образовалась полость необходимо выполнение следующего условия
где 
-удвоенное расстояние между молекулами, м;
- минимальный радиус образовавшегося пузырька, м.
Можно предположить, что амплитуда смещения звуковой волны должна соответствовать минимальному радиусу образовавшегося пузырька
Минимальный радиус образовавшегося пузырька почвенного раствора
(5)
где 
- поверхностное натяжение почвенного раствора, Н/м;
- максимально возможное растягивающее напряжение, Па;
-минимальный радиус образовавшегося пузырька, м.
Также можно предположить то, что
(6)
где 
- предел прочности почвы на сжатие, Па.
Предел прочности почвы на сжатие
(7)
где - величина абсолютной влажности, %.
Таким образом, круговая частота звукового поля
. (8)
Примем то, что обрабатываемый слой почвы относится к безграничному твердому телу, в котором распространяются только продольные волны. Тогда, скорость распространения продольной волны равна
(9)
где 
- модуль упругости почвы первого рода, Па;
- коэффициент Пуассона.
Представленные выше модуль упругости первого рода и коэффициент Пуассона отображают почву определенного гранулометрического состава и абсолютной влажности.
Модуль упругости первого рода [Ториков В.Е., Старовойтов С.И., Чемисов Н.Н. О физических параметрах суглинистой почвы / Земледелие. - 2016. - № 8. - С. 19 -21.]
(10)
где - величина абсолютной влажности, %.
Коэффициент Пуассона
(11)
где - коэффициент Пуассона.
По результатам теоретических исследований установлено, что величина среднего звукового давления, при котором обеспечивается максимальная эффективность процесса кавитации, находится в прямо пропорциональной зависимости от плотности почвы и глубины обработки. При плотности суглинистой почвы 
кг/м3 и глубине основной обработки почвы (
м) величина среднего звукового давления составила Па.
Минимальное значение частоты колебаний звукового поля составляет 19762с-1, исследуемая величина принимает при абсолютной влажности 16%, максимальное значение 37773 с-1 - при абсолютной влажности 23%. Установлено следующее, при увеличении величины абсолютной влажности частота звукового поля увеличивается по параболической зависимости.
Полученная зависимость частоты колебаний звукового поля от величины абсолютной влажности суглинистой почвы даст возможность рассчитать геометрические параметры газоструйного излучателя, в состав которого входит сопло и резонатор.
Экспериментальные исследования, проведенные с изготовленным газоструйным излучателем, показали возможность кавитационного разрушения почвы за счет использования ультразвука в обоснованном диапазоне частот.
Реализация предлагаемого способа восстановления деградированных земель позволитболее качественно рыхлить зону блокированного резания, возникающую при проходе чизельных орудий, снизить энергоемкость рыхления, осуществлять рыхление почвы без внешнего механического воздействия только за счет воздействия ультразвука.
Предлагаемая технология восстановления деградированных земель позволяет проводить обработку почвы без разрушения ее структуры.
Способ восстановления суглинистых деградированных земель, заключающийся в рыхлении почвы импульсами сжатого воздуха прецизионно внутрипочвенно под углом 30-40° к горизонтальной поверхности, отличающийся тем, что обработку почвы, находящейся в состоянии физической спелости, производят ультразвуком на глубину, не превышающую глубину основной обработки почвы, при этом величина среднего звукового давления составляет PA=9324 Па и частота колебаний звукового поля равна 19762-37773 с-1.
