ÖSSZEFOGLALÁS

Bevezetés, a kutató munka célkitűzései Értekezésem témája a művelés hatásának vizsgálata a rögképződésre és a rögaprítás energetikai összefüggéseinek meghatározása a kényszeraprítás módszerével. A kutatómunka legfontosabb célkitűzései:  A talajművelés nemzetközi és hazai irodalmának feldolgozásával a kutatási téma aktualitásának igazolása, különös tekintettel az energiatakarékos, talajkímélő művelési eljárásokra és eszközökre.  A hagyományos talajművelő eszközök rögaprító hatásának értékelése, összehasonlítása az aprózódást létrehozó fizikai főhatások alapján.  Az alapművelést és az elmunkálást végző talajművelő eszközök rögösítő hatásának összehasonlítása a hivatkozott irodalmi adatok és az elvégzett szántóföldi rögfrakció-vizsgálatok eredményei alapján elsősorban kötött, száraz talajok figyelembevételével.  A rögtörés vizsgálati módszerének kidolgozása, és a törési energia meghatározása különböző nedvességtartalmú, kötöttségű és átmérőjű talajrögökre.  A kényszeraprítás elvének elemzése, az elméleti összefüggések és a tervezési alapadagok meghatározása.  A folyamatos kényszeraprítás elvén működő kísérleti eszköz elkészítése, ill. a rögaprítás fajlagos energiaigényének egzakt meghatározásához szükséges mérési módszer kidolgozása és a mérőrendszer kiépítése.  A rögaprítás fajlagos energiaigényének meghatározása különböző kötöttségű és nedvességtartalmú talajmintákra, valamint az aprítás minőségének és kísérleti eszköz funkcionális alkalmasságának vizsgálata.  A mérési eredmények értékelése a matematikai statisztika módszereivel, a vizsgált paraméterek közötti összefüggések meghatározására.

Az irodalomfeldolgozás legfontosabb megállapításai A hagyományos talajművelő eszközök munkája során a talajállapottól függően különböző rögstruktúra alakulhat ki a művelt talajrétegben. A rögösödés szempontjából a legkritikusabb művelet az alapművelés, mint a legmélyebb és legintenzívebb talajmozgást okozó beavatkozás. Az alapművelésre minden olyan eszköz alkalmatlannak minősül, amely a száraz, tömör vagy túl nedves talaj művelésekor az elmunkálás menetszámát növeli. A rögképződést, illetve a rögaprító hatást – több más fontos talajfizikai paraméter mellett – döntően a talaj kötöttsége és nedvességtartalma befolyásolja. A vizsgálatok szerint a legtöbb talajművelő (elmunkáló) eszköznél az aprításkor – a fizikai főhatás mellett – jelentős járulékos energiát igénylő hatások (pl. tömörödés, deformáció, elmozdulás, stb.) lépnek fel. Emiatt – különösen száraz, kötött talajoknál – az aprózódás minősége nem felel meg a követelményeknek. A kötött agyagtalajú területek művelésével számos hazai és külföldi kutató foglalkozott. A rögaprítás gyakorlati problémáinak megoldására különböző passzív, kvázi-aktív és aktív elven működő kísérleti- és sorozatgyártású eszköz vizsgálatát végezték el. Az aktív elven működő eszközök (pl. rotációs boronák, talajmarók), illetve ezek különböző eszközökkel kombinált megoldásai (pl. passzív alátámasztású talajmaró) különösen alkalmasak a száraz, kötött talajok elmunkálására. Mivel a hagyományos eszközöknél ezeken a talajokon a járulékos energia csökkentésére a működési elvből adódóan alig van lehetőség, a megoldást olyan eszközökben és módszerekben kell keresni, amelyek az energiaigény csökkentése mellett a rögaprítás biztonságát és eredményességét egyaránt növelik. Az általam javasolt megoldás is egy kényszeraprítás elvén működő eszköz, ahol a rögaprítást egy aktív törőelem (aprító dob) és egy passzív támasztóelem (törőrács) végzi, megvalósítva az előzőekben leírt célkitűzéseket.

A kutatómunka előzményei Az irodalmi adatok igazolására szántóföldi vizsgálatokat végeztem száraz, kötött talajokon a talajfelszíni rögfrakció-vizsgálat módszerével különböző művelési eljárások után. A vizsgálatok idején a talajfelszínen 5-8 tömeg % talajnedvesség volt mérhető. A szántással végzett alapművelés rögfrakció struktúrája még kötött agyagtalajon (KA = 50-52) viszonylag kedvező eredményt mutatott (Dj= 110-120 mm). Az elmunkálást tárcsával végezve minimális aprózódást tapasztaltam (Dj = 81 mm). Jelentős javulás csak a nehézkombinátorral végzett magágykészítés 2. és 3. menete után következett be (Dj = 25-55 mm). A vizsgálati eredmények azt bizonyították, hogy hagyományos eszközökkel a menetszám növelésével sem érhető el jó minőségű magágy. A felszíni durva réteg a vetés és a kelés minőségét és a növény kezdeti fejlődését hátrányosan befolyásolja. A szántóföldi vizsgálatok után rögtörési kísérleteket végeztem a törőerő, illetve a törési energia meghatározására különböző kötöttségű, nedvességtartalmú és átmérőjű rögminták esetében. Az energetikai méréseket rögenergográffal végeztem két módszerrel, a rögök szilárd megtámasztásával és (a természetes körülményeket szimulálva) talajba ágyazott rögökkel. A törési diagramokból megállapítható, hogy mindkét módszer esetén a kötöttség csökkenésével és a nedvességtartalom növekedésével javulnak a törés feltételei, így a törési energia értéke is csökken. Talajba ágyazott rögök törésénél a megtámasztáshoz szükséges deformációs zóna elnyújtja a törési diagramot, így a rög töréséhez szükséges energia (EÁ) 2,5-3-szor nagyobb lesz, mint az alátámasztott rögöknél mért energiaérték (ET). A törési energia–rögátmérő és a törési energia-nedvességtartalom között felírt regressziós egyenletek és a determinációs együttható értékei (R20,9) alapján megállapítottam, hogy a vizsgált paraméterek között igen szoros az összefüggés.

A kutatómunka elméleti megalapozása A rögtörési kísérletekből látható, hogy ha a törőerő ellenében merev megtámasztást alkalmazunk a rögaprózódás – elég nagy törőerő esetén – feltétlenül bekövetkezik. Ez az elv folyamatossá tehető, ha a törőerőt biztosító elem egy hajtott törőhenger, a támasztó elem pedig egy sík törőrács, melyet a kívánt munkamélységben a törőhenger alatt járatunk. Ez a kételemes kényszeraprítás elvén működő eszköz alkalmas – az előírt feltételek mellett – a rögaprítás járulékos energiaigényének csökkentésére és az aprózódás minőségének javítására. Vizsgálataim során meghatároztam a kényszeraprítás elméleti összefüggéseit és a kísérleti eszköz tervezési alapadatait, műszaki paramétereit. Megállapítottam, hogy az eszköz működése szempontjából a legfontosabb befolyásoló tényezők az aprítódob és a törőrács felületének kialakítása, a rés- és fogazatgeometria, valamint sebességviszonyok helyes megválasztása. A fenti megfontolások alapján elkészítettem a kísérleti berendezést, amely alapvetően két fő egységből, az adagoló és az aprító szerkezetből épül fel. A vizsgálatok szerint a kísérleti eszköz, a beépített méréstechnikai elemekkel (nyomatékmérő, fordulatszám jeladó) alkalmas különböző kötöttségű és nedvességtartalmú talajminták tiszta aprítási energiaigényének (E) meghatározására, m = 10 kg-os tömegben talajmintánként. Az aprítás előtt és után elvégzett rögfrakció vizsgálatokból az aprítási folyamat során létrejövő új felület (Au) számítható, ami a fajlagos energia (Ef) meghatározásához szükséges minden talajmintánál.

A vizsgálatok eredményei A talajállapot minősítésére és a kísérleti eszköz rögaprító munkájának értékelésére a rögfrakció-vizsgálatok eredményeit használtam fel. Megállapítottam, hogy a talajminták kötöttségétől és nedvességtartalmától függően az aprózódás mértéke 2,5-4-szeres, ami az egyes frakciók arányának megváltozásával magyarázható. Az aprítás előtt a 4 cm-nél nagyobb frakciók voltak túlsúlyban minden mintánál, az aprítás után ez az arány a 2 cm-nél kisebb frakciók irányába tolódott el. Az energetikai méréseket a nyomatékidő diagramok alapján értékeltem. Meghatároztam az aprítási energia értékeit talajmintánként és az egységnyi új felület létrehozásához szükséges fajlagos energia értékeit (Ef). Vizsgáltam, hogy a kötöttség és a nedvességtartalom hogyan befolyásolja a fajlagos energiát. A regresszióvizsgálatokat elvégezve a vizsgált paraméterek között szoros összefüggést találtam. A fajlagos energia-kötöttség és a fajlagos energia-nedvességtartalom függvények exponenciális egyenlettel közelíthetők. A determinációs együtthatók (R2) értéke mindkét esetben nagyobb 0,9-nél, ami igen szoros illeszkedést mutat. A talaj kötöttségének és nedvességtartalmának együttes hatását többszörös lineáris regresszióval vizsgáltam és felírtam a regressziós egyenletet:

A többszörös determinációs együttható értéke (R2=0,802154), ami szoros összefüggést feltételez a vizsgált paraméterek között. A felírt összefüggés és a többszörös korrelációs együttható statisztikai próbáját elvégezve (F-próbával) megállapítható, hogy az összefüggés P=0,1 %-os szinten szignifikáns. Az egyenlet szerint a nedvességtartalom hatása a fajlagos energiára nagyobb (közel 1,5-szeres), mint a kötöttségé, tehát az eszköz alkalmazhatóságát a vizsgált tartományokban elsősorban a talajnedvesség tartalma határozza meg. elsősorban a talajnedvesség tartalma határozza meg. SUMMARY

Introduction, aims of research The subject of my thesis is to study the effects of cultivation on clod formation as well as to determine the energetic relationships in clod breaking by the method of compulsive breakage. The main aims of research are the following:

• Justification of actuality of the research subject by surveying the foreign and Hungarian literature with special respect to the economical use of energy and the soil preserving cultivation methods and implements.
• Evaluation of clod breaking effect of traditional soil cultivation methods, and its comparison to the main physical effects resulting in breakage.
• Comparison of clod forming effects of primary tillage and soil smoothing implements on the basis of literature data and the results of cropland clod fraction analyses carried out on cohesive, dry soils.
• Elaboration of testing method of clod breaking, as well as determination of breaking energy for soil clods of different humidity content, cohesiveness and diameter.
• Analysing the principle of forced clod breaking, determination of theoretical relationships and design basic charges.
• Completion of an experimental tool functioning on the principle of continuous forced breaking, and elaboration of the method of measurements needed for the exact determination of specific energy demand of clod breaking, as well as construction of the measuring system.
• Determination of specific energy demand of compulsory clod breaking for soil samples of different cohesiveness and humidity content, as well as research on quality of forced breaking and functional suitability of the experimental device.
• Evaluation of results of measurements by the methods of mathematical statistics, and identification of relationships between the studied parameters.

Main statements based on the review of technical literature In the course of work of the traditional soil cultivation machines, different clod structures might be formed in the cultivated soil layer depending on the soil conditions. From point of view of clod formation the primary tillage is the most critical, as an intervention causing the deepest and the most intensive soil motion. Any tool which increases the number of turns in the course of soil cultivation on dry and compact or too wet soils is qualified unsuitable for primary tillage. The clod formation or more exactly the clod breaking effect is influenced – besides several important soil physical parameters - mainly by the cohesiveness and humidity content of soil. According to the different analyses, in the most soil cultivation machines the effects demanding significant collateral energy (e.g. compaction, deformation, floating etc.) occur in the course of forced breaking besides the main physical effects. Therefore – especially in dry and cohesive soils – the quality of clod breaking does not meet the demands. The cultivation of heavy clay soils is the subject of several Hungarian and foreign studies. Several experimental and commercial tools functioning by different passive, quasi and quasi-active principles have been studied for solution of practical problems of clod breaking. The devices of active functioning (e.g. rotary harrows and tillers), as well as some other devices combined with them (e.g. the passive support rotary tiller) are extremely good for the tillage of dry, heavy soils. As on these soils it is hardly possible to decrease the additional energy of the traditional tools because of their working principle, such tools and methods should be elaborated, which would increase the safety and efficiency of clod breaking besides the decrease of energy demand. The solution described in this thesis is such a device of compulsory clod breaking, which consists of an active breaking unit (breaking drum) and a passive support unit (breaking grid), and it corresponds to the demands detailed above.

Background of research For the justification of collected data field experiments were carried out on dry, heavy soils by the method of clod fraction analyses of soil surface after being treated by different tilling processes. During the time of studies the soil humidity was 5-8 mass percent. The clod fraction structure showed fairly favourable results (Dj =110 -120 mm) even on heavy clay soils (KA = 50-52) if the primary tillage was carried out by ploughing. The research results have improved that good quality seed bed cannot be prepared by the application of traditional devices and by the increase of number of turns. The rough surface layer influences the quality of seeding and the early development of plants disadvantageously. After the analyses of arable lands compulsory clod breaking experiments were carried out for the determination of breaking force or breaking energy in soils of different cohesiveness, humidity and clod diameter. The energetic measurements were carried out by clod energograph applying two different methods, i.e. the supporting of clods and the clods embedded in the soil (simulating the natural conditions). Taking into consideration the breaking diagrams it can be stated that the conditions of breaking improve if the cohesiveness of soil decreases and the humidity increases, thus the breaking energy also decreases. In case of breaking clods embedded in the soil, the deformation zone needed for the support elongates the breaking diagram, thus the energy needed for breaking of clods (EA) will be 2.5 – 3 times bigger than the energy measured in the supported clods (ET). Based on the regression equations described between the breaking energy and the clod diameter as well as between the breaking energy and the humidity content plus on the values of determination coefficient (R2  0.9) it could be stated that there was a close correlation between the studied parameters.

Theoretical justification of research On the basis of the clod breaking experiments it is obvious that the clod breaking surely takes place if a rigid support is applied against the breaking force – if the breaking force is high enough. This principle can work continuously if the breaking force is ensured by a driven breaking roller and the supporting unit is a flat grid which is run under the breaking roller on the needed working depth. This device functioning on the principle of the two-element forced breaking is suitable for the decrease of supplementary energy demand of clod breaking as well as for the improvement of breaking quality – if the desired conditions are ensured. In the course of my studies the theoretical formulas of clod breaking as well as the design basic data and technical parameters of the experimental device were determined. It was found that the surface finish of the breaking drum and that of breaking grid, the hole and teeth geometry as well as the appropriate speed conditions were the most important influencing factors from point of view of operation of the tool. Based on the above considerations an experimental tool has been prepared which consists of two main parts: a feeding unit and a breaking unit. According to my tests the experimental tool together with its built-in measuring elements (torque meter, speed indicator) is suitable for determination of net breaking energy demand (E) of different cohesiveness and humidity content soils in soil samples of m = 10 kg mass. On the basis of the clod fraction analyses carried out before and after the breaking it is possible to calculate the new surface (Au) gained in the course of the breaking process which is needed for the determination of the specific energy (Ef) in each soil sample.

Results The results of clod fraction analyses were used to evaluate the soil conditions and the clod breaking work of the experimental device. I came to the conclusion that the break-up can be 2.5 - 4 times bigger depending on the cohesiveness and humidity of soils which can be explained by the change of ratio of the different fractions. Before the breaking the fractions bigger than 4 cm were predominant in every sample, but after the breaking the ratio of fractions less than 2 cm was prevailing. The energetic measurements were evaluated on the basis of moment-time diagrams. The breaking energy and the specific energy, (Ef) needed for the formation of a unit of surface area, were determined for each soil sample. It was also studied how the cohesiveness and humidity affect the specific energy. The regressive analyses showed close connection between the studied parameters. The specific energy – cohesiveness and specific energy – humidity content functions can be described by exponential equations. The determination coefficients (R2) are higher than 0.9 in both cases which refers to a very close connection. The joint effect of soil cohesiveness and humidity was studied by the multiple linear regression and the regression equation was described: Ef = 7.7687 KA – 10.90907 w – 65.67066 The multiple determination coefficient is R2= 0.802154 which supposed close relationship between the studied parameters. On the basis of the statistical test of the described relationship and multiple correlation coefficient (F-test) it can be stated that the relationship is significant on the level of P = 0.1 %. According to the equation the effect of the humidity content is higher to the specific energy (about 1.5 times) than that of the cohesiveness, thus in the studied ranges the utilization of the tool is determined mainly by the humidity content.