Введение. В современных условиях Нечерноземной зоны России важнейшей проблемой является окультуривание, улучшение свойств почв сельхозугодий, возвращения в эксплуатацию земель сельскохозяйственного назначения. В соответствии с агрофизическими факторами плодородия (гранулометрический состав, структура, строение и мощность пахотного и подпахотных слоев) применяют   физический метод, направленный на изменение основных агрофизических свойств почвы таких, как строение пахотного слоя, его плотность, пористость и структурное состояние. Как известно, строение пахотного слоя (соотношение объёмов, занимаемых твердой фазой и различными видами пор) определяется гранулометрическим составом, агрегатностью почвы и взаимным расположением   почвенных частиц и комков, т. е. сложением почвы. В формировании почвенной структуры участвуют два основных процесса: механическое разделение почвы на агрегаты (рыхление) и, в дальнейшем образование из элементарных почвенных частиц структурных комков. Эти структурные отдельности имеют различный механизм образования и определяют различные водно – физические свойства почв. Структура почвы положительно влияет на физические и физико – механические свойства почвы и противоэрозионную устойчивость почв. Важную роль при формировании почвенной структуры играет вода. При этом одним из основных водных свойств почвы является её водопроницаемость (фильтрационная способность), зависящая от механического состава грунта. А также такие свойства почвы как, водоудерживающая при помощи сорбционных и капиллярных сил и водоподъёмная способности. На тяжелых глинистых почвах водопроницаемость низкая, коэффициент фильтрации составляет менее чем 0,1…0,3 м в сутки. Наиболее быстрым и эффективным способом изменения строения является обработка, приемы которой повышают общую пористость, увеличивая в основном объём некапиллярных пор, это в свою очередь улучшает водно – воздушные свойства и усиливает микробиологическую активность почвы [1,15]. Рядом исследований обоснована необходимость глубокого мелиоративного рыхления тяжёлых увлажнённых почв, которые преобладают в Нечернозёмной зоне России [2,3]. Рыхление таких почв способствует значительному увеличению их водопроницаемости в 2 и более раз. Этот эффект сохраняется в течение первых двух трёх лет после проведения глубокого рыхления [2,14].             Анализ предшествующих исследований рабочего оборудования для глубокого рыхления  позволил выявить наиболее рациональный тип рыхлителя, такие как  РГ-1,2; РГ-0,5; РГ-0,8, имеющие рабочий орган V - образной формы, который представляет из себя незамкнутый контур в виде 2-х наклонных стоек закреплённых в нижней части режущим элементом – лемехом  [3]. Процесс рыхления у таких рабочих органов происходит в основном за счёт трёхмерного сжатия грунта, поэтому их можно отнести к рыхлителям объёмного типа. Однако было установлено, что физические явления разрушения при объёмном сжатии пласта грунта недостаточно изучены. Также недостаточно обосновано влияние формы боковых стоек и углов установки режущих элементов в пространстве на технологические параметры и качество рыхления. Цель исследования. Выбор рациональной конструкции и основных параметров рабочего органа мелиоративного рыхлителя объёмного типа, обеспечивающих агрофизические свойства почвы и грунта в соответствии с агротехническими требованиями. Материалы и методы исследований.  Для  изучения физических явлений при глубоком рыхлении были проведены сравнительные экспериментальные исследования трёх рабочих органов  разной конструкции. Для исследований изготовлены рыхлители с прямыми боковыми стойками, с криволинейными стойками (в виде элементов параболы) и с вертикальными стойками, переходящими в нижней части в полуокружность (рис. 3).  В качестве базового рабочего органа, был выбран рыхлитель с V образным расположением боковых стоек, как наиболее известный и реализованный в виде практической конструкции (далее № 1) [2]. Модель № 2, с криволинейными боковыми стойками, являющимися частями параболы, соединёнными в нижней части с лемехом [9,10]. Модель № 3, с U образным режущим периметром, выполнена в виде полуокружности в нижней части, и вертикальных боковых стоек. По ширине рыхления в верхней части между боковыми стойками модели 1 и 2 были выполнены с одинаковым расстоянием. Введение. В современных условиях Нечерноземной зоны России важнейшей проблемой является окультуривание, улучшение свойств почв сельхозугодий, возвращения в эксплуатацию земель сельскохозяйственного назначения. В соответствии с агрофизическими факторами плодородия (гранулометрический состав, структура, строение и мощность пахотного и подпахотных слоев) применяют   физический метод, направленный на изменение основных агрофизических свойств почвы таких, как строение пахотного слоя, его плотность, пористость и структурное состояние. Как известно, строение пахотного слоя (соотношение объёмов, занимаемых твердой фазой и различными видами пор) определяется гранулометрическим составом, агрегатностью почвы и взаимным расположением   почвенных частиц и комков, т. е. сложением почвы. В формировании почвенной структуры участвуют два основных процесса: механическое разделение почвы на агрегаты (рыхление) и, в дальнейшем образование из элементарных почвенных частиц структурных комков. Эти структурные отдельности имеют различный механизм образования и определяют различные водно – физические свойства почв. Структура почвы положительно влияет на физические и физико – механические свойства почвы и противоэрозионную устойчивость почв. Важную роль при формировании почвенной структуры играет вода. При этом одним из основных водных свойств почвы является её водопроницаемость (фильтрационная способность), зависящая от механического состава грунта. А также такие свойства почвы как, водоудерживающая при помощи сорбционных и капиллярных сил и водоподъёмная способности. На тяжелых глинистых почвах водопроницаемость низкая, коэффициент фильтрации составляет менее чем 0,1…0,3 м в сутки. Наиболее быстрым и эффективным способом изменения строения является обработка, приемы которой повышают общую пористость, увеличивая в основном объём некапиллярных пор, это в свою очередь улучшает водно – воздушные свойства и усиливает микробиологическую активность почвы [1,15]. Рядом исследований обоснована необходимость глубокого мелиоративного рыхления тяжёлых увлажнённых почв, которые преобладают в Нечернозёмной зоне России [2,3]. Рыхление таких почв способствует значительному увеличению их водопроницаемости в 2 и более раз. Этот эффект сохраняется в течение первых двух трёх лет после проведения глубокого рыхления [2,14].             Анализ предшествующих исследований рабочего оборудования для глубокого рыхления  позволил выявить наиболее рациональный тип рыхлителя, такие как  РГ-1,2; РГ-0,5; РГ-0,8, имеющие рабочий орган V - образной формы, который представляет из себя незамкнутый контур в виде 2-х наклонных стоек закреплённых в нижней части режущим элементом – лемехом  [3]. Процесс рыхления у таких рабочих органов происходит в основном за счёт трёхмерного сжатия грунта, поэтому их можно отнести к рыхлителям объёмного типа. Однако было установлено, что физические явления разрушения при объёмном сжатии пласта грунта недостаточно изучены. Также недостаточно обосновано влияние формы боковых стоек и углов установки режущих элементов в пространстве на технологические параметры и качество рыхления. Цель исследования. Выбор рациональной конструкции и основных параметров рабочего органа мелиоративного рыхлителя объёмного типа, обеспечивающих агрофизические свойства почвы и грунта в соответствии с агротехническими требованиями. Материалы и методы исследований.  Для  изучения физических явлений при глубоком рыхлении были проведены сравнительные экспериментальные исследования трёх рабочих органов  разной конструкции. Для исследований изготовлены рыхлители с прямыми боковыми стойками, с криволинейными стойками (в виде элементов параболы) и с вертикальными стойками, переходящими в нижней части в полуокружность (рис. 3).  В качестве базового рабочего органа, был выбран рыхлитель с V образным расположением боковых стоек, как наиболее известный и реализованный в виде практической конструкции (далее № 1) [2]. Модель № 2, с криволинейными боковыми стойками, являющимися частями параболы, соединёнными в нижней части с лемехом [9,10]. Модель № 3, с U образным режущим периметром, выполнена в виде полуокружности в нижней части, и вертикальных боковых стоек. По ширине рыхления в верхней части между боковыми стойками модели 1 и 2 были выполнены с одинаковым расстоянием. Введение. В современных условиях Нечерноземной зоны России важнейшей проблемой является окультуривание, улучшение свойств почв сельхозугодий, возвращения в эксплуатацию земель сельскохозяйственного назначения. В соответствии с агрофизическими факторами плодородия (гранулометрический состав, структура, строение и мощность пахотного и подпахотных слоев) применяют   физический метод, направленный на изменение основных агрофизических свойств почвы таких, как строение пахотного слоя, его плотность, пористость и структурное состояние. Как известно, строение пахотного слоя (соотношение объёмов, занимаемых твердой фазой и различными видами пор) определяется гранулометрическим составом, агрегатностью почвы и взаимным расположением   почвенных частиц и комков, т. е. сложением почвы. В формировании почвенной структуры участвуют два основных процесса: механическое разделение почвы на агрегаты (рыхление) и, в дальнейшем образование из элементарных почвенных частиц структурных комков. Эти структурные отдельности имеют различный механизм образования и определяют различные водно – физические свойства почв. Структура почвы положительно влияет на физические и физико – механические свойства почвы и противоэрозионную устойчивость почв. Важную роль при формировании почвенной структуры играет вода. При этом одним из основных водных свойств почвы является её водопроницаемость (фильтрационная способность), зависящая от механического состава грунта. А также такие свойства почвы как, водоудерживающая при помощи сорбционных и капиллярных сил и водоподъёмная способности. На тяжелых глинистых почвах водопроницаемость низкая, коэффициент фильтрации составляет менее чем 0,1…0,3 м в сутки. Наиболее быстрым и эффективным способом изменения строения является обработка, приемы которой повышают общую пористость, увеличивая в основном объём некапиллярных пор, это в свою очередь улучшает водно – воздушные свойства и усиливает микробиологическую активность почвы [1,15]. Рядом исследований обоснована необходимость глубокого мелиоративного рыхления тяжёлых увлажнённых почв, которые преобладают в Нечернозёмной зоне России [2,3]. Рыхление таких почв способствует значительному увеличению их водопроницаемости в 2 и более раз. Этот эффект сохраняется в течение первых двух трёх лет после проведения глубокого рыхления [2,14].             Анализ предшествующих исследований рабочего оборудования для глубокого рыхления  позволил выявить наиболее рациональный тип рыхлителя, такие как  РГ-1,2; РГ-0,5; РГ-0,8, имеющие рабочий орган V - образной формы, который представляет из себя незамкнутый контур в виде 2-х наклонных стоек закреплённых в нижней части режущим элементом – лемехом  [3]. Процесс рыхления у таких рабочих органов происходит в основном за счёт трёхмерного сжатия грунта, поэтому их можно отнести к рыхлителям объёмного типа. Однако было установлено, что физические явления разрушения при объёмном сжатии пласта грунта недостаточно изучены. Также недостаточно обосновано влияние формы боковых стоек и углов установки режущих элементов в пространстве на технологические параметры и качество рыхления. Цель исследования. Выбор рациональной конструкции и основных параметров рабочего органа мелиоративного рыхлителя объёмного типа, обеспечивающих агрофизические свойства почвы и грунта в соответствии с агротехническими требованиями. Материалы и методы исследований.  Для  изучения физических явлений при глубоком рыхлении были проведены сравнительные экспериментальные исследования трёх рабочих органов  разной конструкции. Для исследований изготовлены рыхлители с прямыми боковыми стойками, с криволинейными стойками (в виде элементов параболы) и с вертикальными стойками, переходящими в нижней части в полуокружность (рис. 3).  В качестве базового рабочего органа, был выбран рыхлитель с V образным расположением боковых стоек, как наиболее известный и реализованный в виде практической конструкции (далее № 1) [2]. Модель № 2, с криволинейными боковыми стойками, являющимися частями параболы, соединёнными в нижней части с лемехом [9,10]. Модель № 3, с U образным режущим периметром, выполнена в виде полуокружности в нижней части, и вертикальных боковых стоек. По ширине рыхления в верхней части между боковыми стойками модели 1 и 2 были выполнены с одинаковым расстоянием. Рисунок 1.  Модели рабочего органа объёмного рыхлителя с различной формой рыхлящих стоек: с прямыми - тип 1; с криволинейными - тип 2; с вертикальными стойками и нижней полукруглой кромкой - тип 3Были проведены 2-х факторные эксперименты трёх рабочих органов – с углами установки режущих элементов, принятыми по результатам ранее выполненных нами опытов [4,5,12].  В качестве изменяемых факторов являлись глубина и влажность грунта, функцией отклика – тяговое усилие (табл.). Результаты опытов были пересчитаны по теории физического моделирования на натуру. Число параллельных повторов каждого опыта было не менее трёх. В процессе исследований определялось тяговое усилие, наблюдался характер деформации и разрушения грунта. Оценивались и измерялись перемещения и параметры разрыхлённого грунта.             Таблица  – Основные характеристики 2-х факторного эксперимента 22=4Уровень фактораФакторыХ1 (h м,)Х2, (w, влажность%)Верхний (+)0,6818Нижний (-)0,48Базовый Х0i0,5413 Результаты эксперимента были представлены уравнением регрессии типа:  Y= b0+b1X1+b2X2+b3X1Х2                                                              (1)где Y – оценка значений функции отклика, т.е. тяговое усилие F, b0, b1, b2 – оценки коэффициентов уравнения регрессии, X1, X2 – независимые переменные, влияющие на Y, т.е., h, w соответственно. В процессе опытов определялся объёмный вес грунта, до и после рыхления, а также коэффициент разрыхления. При проведении каждого опыта оценивалась структура разрыхленного грунта инструментальным методом и методом фрактального анализа, для этого до и после обработки грунта производилось фотографирование срезов грунта в высоком разрешении в формате bmp [6,7].  На компьютере осуществлялась сортировка, предварительная подготовка и анализ снимка. Фрактальная размерность определялась с использованием программы Gwyddion – модульной программы анализа данных, изначально предназначенной для обработки данных. Одним из инструментов статистической обработки изображений в данной программе является функция определения фрактальной размерности Fractal Dimension. При помощи данной программы определялась фрактальная размерность клеточным способом [13].Результаты исследования и их обсуждение. В результате экспериментов были получены уравнения регрессии в натуральных единицах:Для рабочего органа рыхлителя с прямыми стойками (№ 1):F = 3,74+23,3h-0,17w+1,3hw,                                                        (2)Для рабочего органа рыхлителя с параболическими стойками (№2):F=-5,56+37,86h-0,77w +0,86hw,                                                   (3)Для рабочего органа рыхлителя с полукруглой нижней кромкой (№ 3): F=-31,4+104,93h-0,07w+hw,                                                          (4)Анализ результатов исследования показал, что наиболее значимым фактором является глубина рыхления, а также следует отметить влияние на усилие F и качество рыхления формы боковых стоек. На малой глубине рыхления величина тягового усилия для моделей отличается незначительно. При глубине 0,68 м наименьшее значение наблюдалось для рабочих органов 1 и 2, причём для рабочего органа № 2 меньше на 3,7 % (при w=8 %) и на 5,2 % (при w=18 %). Усилие для модели № 3 было существенно больше, чем у модели 2, а именно – на 86 % (при w=8 %) и на 57 % (при w=18 %). По качеству разрыхления, однородности грунта, наличию наиболее мелких фракций, а также по силовым зависимостям наиболее рациональным можно считать рабочий орган с параболическими стойками (№ 2). Наличие крупных фракций грунта (60…75 мм) составляло не более 7 %, а большая часть комьев размером до 30 мм составляла 63 % (рис. 2). Рисунок 1.  Модели рабочего органа объёмного рыхлителя с различной формой рыхлящих стоек: с прямыми - тип 1; с криволинейными - тип 2; с вертикальными стойками и нижней полукруглой кромкой - тип 3Были проведены 2-х факторные эксперименты трёх рабочих органов – с углами установки режущих элементов, принятыми по результатам ранее выполненных нами опытов [4,5,12].  В качестве изменяемых факторов являлись глубина и влажность грунта, функцией отклика – тяговое усилие (табл.). Результаты опытов были пересчитаны по теории физического моделирования на натуру. Число параллельных повторов каждого опыта было не менее трёх. В процессе исследований определялось тяговое усилие, наблюдался характер деформации и разрушения грунта. Оценивались и измерялись перемещения и параметры разрыхлённого грунта.             Таблица  – Основные характеристики 2-х факторного эксперимента 22=4Уровень фактораФакторыХ1 (h м,)Х2, (w, влажность%)Верхний (+)0,6818Нижний (-)0,48Базовый Х0i0,5413 Результаты эксперимента были представлены уравнением регрессии типа:  Y= b0+b1X1+b2X2+b3X1Х2                                                              (1)где Y – оценка значений функции отклика, т.е. тяговое усилие F, b0, b1, b2 – оценки коэффициентов уравнения регрессии, X1, X2 – независимые переменные, влияющие на Y, т.е., h, w соответственно. В процессе опытов определялся объёмный вес грунта, до и после рыхления, а также коэффициент разрыхления. При проведении каждого опыта оценивалась структура разрыхленного грунта инструментальным методом и методом фрактального анализа, для этого до и после обработки грунта производилось фотографирование срезов грунта в высоком разрешении в формате bmp [6,7].  На компьютере осуществлялась сортировка, предварительная подготовка и анализ снимка. Фрактальная размерность определялась с использованием программы Gwyddion – модульной программы анализа данных, изначально предназначенной для обработки данных. Одним из инструментов статистической обработки изображений в данной программе является функция определения фрактальной размерности Fractal Dimension. При помощи данной программы определялась фрактальная размерность клеточным способом [13].Результаты исследования и их обсуждение. В результате экспериментов были получены уравнения регрессии в натуральных единицах:Для рабочего органа рыхлителя с прямыми стойками (№ 1):F = 3,74+23,3h-0,17w+1,3hw,                                                        (2)Для рабочего органа рыхлителя с параболическими стойками (№2):F=-5,56+37,86h-0,77w +0,86hw,                                                   (3)Для рабочего органа рыхлителя с полукруглой нижней кромкой (№ 3): F=-31,4+104,93h-0,07w+hw,                                                          (4)Анализ результатов исследования показал, что наиболее значимым фактором является глубина рыхления, а также следует отметить влияние на усилие F и качество рыхления формы боковых стоек. На малой глубине рыхления величина тягового усилия для моделей отличается незначительно. При глубине 0,68 м наименьшее значение наблюдалось для рабочих органов 1 и 2, причём для рабочего органа № 2 меньше на 3,7 % (при w=8 %) и на 5,2 % (при w=18 %). Усилие для модели № 3 было существенно больше, чем у модели 2, а именно – на 86 % (при w=8 %) и на 57 % (при w=18 %). По качеству разрыхления, однородности грунта, наличию наиболее мелких фракций, а также по силовым зависимостям наиболее рациональным можно считать рабочий орган с параболическими стойками (№ 2). Наличие крупных фракций грунта (60…75 мм) составляло не более 7 %, а большая часть комьев размером до 30 мм составляла 63 % (рис. 2). Опыты с применением методов фрактального анализа практически совпадают с результатами инструментальных измерений. Кроме этого, эти опыты позволили получить графическую картину результатов рыхления (рис 3).Рисунок 3. Графики распределения фрактальной размерности и зависимости её средних значений от тягового сопротивления для рабочих органов объёмных рыхлителей: с параболическими стойками и V- образного.Наиболее однородная структура грунта без комьев больших размеров  образовывалась в результате рыхления рыхлителем с параболическими стойками. С целью уточнения влияния влажности грунта на сопротивление рыхлению, а также получения зависимости удельного сопротивления рыхлению от глубины проведены однофакторные опыты с каждым рабочим органом. \s  Анализ результатов однофакторных опытов позволил установить, что влажность грунта при увеличении в пределах от 8 до 18% приводит к увеличению тягового усилия, для модели с параболическими стойками примерно на 18…25%, а для U – образной модели на 20…30%. Это можно объяснить большим сопротивлением грунта при прохождении всей его массы между боковыми стойками, расположенными вертикально U – образной модели, а также большой степенью слипания фрагментов грунта и увеличением сопротивления перемещения его слоёв за счёт значительного сжатия (рис. 4). Рисунок 4. ‒ Графики зависимости тягового усилия от глубины рыхления при влажности грунта 8% - а и 18 % - б; в - распределение средних значений фрактальной размерности в зависимости от влажности грунтаРост фрактальной размерности до средних значений влажности 13-15%, начинающийся с относительно малых величин, составляющих 5-7% можно объясняться положительным воздействием воды на грунт, обеспечивающим надлежащую организацию самоподобных структур в грунте. Повышение влажности более 18% приводит к гомогенизированию грунта.Сравнение тягового усилия позволило сделать определённый вывод о довольно существенном увеличении усилия  для U – образного рыхлителя по сравнению с параболическим, причём при увеличении глубины отличие усилия возрастает. Так на глубине 0,68 м у рыхлителя № 3 усилие было больше на 28…33 % чем у рыхлителя № 2, причём большие значения получены для грунта с влажностью 18 %. Значительное увеличение сопротивления происходит за счёт интенсивного сжатия и подъёма грунта между боковыми стойками. У рабочего органа с V - образным расположением стоек (№ 1)  и параболической формы (№ 2) результаты по тяговому сопротивлению различались незначительно – у № 1 на 10…12% больше.Наибольший коэффициент разрыхления Kр был получен для рыхлителя с U образным режущим профилем, величина которого составила 1,28…1,35 при образовании довольно крупных агрегатов грунта. Для параболического рыхлителя значение Kр имело промежуточное значение, Kр=1,25…1,3, а для V – образного наименьшее значение, Kр=1,18…1,2.     Изменение плотности грунта в процессе рыхления для рабочих органов №1, №2 и №3  соответственно представлено на рисунке 5.  Опытные данные позволили установить зависимость изменения удельного сопротивления от глубины рыхления [8]. При малой глубине наблюдалось наибольшее значение Куд, с увеличением глубины рыхления значения Куд уменьшалось, причём, для U – образного рабочего органа минимальное значение наблюдалось при глубине рыхления примерно 0,5 м (рис. 6).При дальнейшем увеличении глубины h величина Куд для прямолинейного и параболического рабочих органов продолжало уменьшаться при заметной тенденции к стабилизации, а для U – образного наблюдалось плавное увеличение Куд. Таким образом, на основании проведенных экспериментов  рабочий орган №2 с криволинейными стойками в форме параболы является наиболее приемлемым  для мелиоративного рыхления. Выводы:По результатам регрессионного анализа было установлено, что наиболее значимым фактором является глубина рыхления. Наибольшее влияние на увеличение сопротивления рыхлению и наименее пригодная структура по агротехническим требованиям наблюдалась для рабочего органа с U – образным профилем рабочего органа. По качеству разрыхления, однородности разрыхлённого грунта, наличию наиболее мелких фракций наиболее рациональным можно считать рабочий орган с параболическими стойками. Наличие крупных фракций грунта (60…75 мм) составляло до 7 %, а большая часть фракций размером до 30 мм составляла 63 %.   Коэффициент разрыхления рабочих органов с трапецеидальными и параболическими стойками составил 1,18 и 1,3. Так же более интенсивное уменьшение плотности наблюдалось у рыхлителя с параболическими стойками. По результатам опытов было установлено, что с увеличением влажности от 9% до 18 %  увеличивается тяговое сопротивление рабочих органов на 17% трапецеидального и с параболическими стойками и на 28%  - у U – образного.  При значениях влажности 13-15%, наблюдалась выраженная организация самоподобных структур в грунте, повышение влажности более 18% приводило к гомогенизированию грунта. ЗаключениеСравнительные исследования трёх типов рабочих органов объёмных рыхлителей различной конструкции показали, что более рациональным для практического применения следует считать рабочий орган с параболическими стойками как наиболее удовлетворяющий агромелиоративным требованиям для глубокого рыхления и в большей степени улучшающий агрофизические свойства почвы. Таким образом рабочий орган этого типа можно рекомендовать для практического применения.