Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ последствий воздействия ходовых систем на почву 14
1.1 Уплотнение почвы и его влияние на урожайность сельскохозяйственных культур 14
1.2 Мероприятия по устранению негативных последствий воздействия машин на почву 23
2. Анализ результатов теоретических исследований воздействия шины на почву 26
2.1. Модели, используемые для исследования процесса уплотнения почв 26
2.2. Анализ существующих решений задачи о взаимодействии деформируемых пневматика и почвы 30
2.3. Анализ результатов исследований деформации почвы 39
2.4. Результаты исследований тягово-сцепных свойств
системы шина-почва 46
2.5. О принципиальном несоответствии между существующими моделями и реальной системой машина - почва 47
2.6. Действительный характер деформации почвы штампом 54
2.7. Моделирование системы машина - почва - растение 57
ВЫВОДЫ ...60
Цель и задачи исследования 62
Гипотеза 63
3. Почвенное полупространство 65
3.1. Свойства почвенного полупространства 65
3.2. Условие существования полупространства 68
3.3. Гидрофизическая, полидисперсная, гетерогенная модель локального объема почвенного полупространства 70
3.4. Математическое описание полидисперсной
гетерогенной модели почвы 75
3.5. Соотношение плотности и прочности почвы 84
ВЫВОДЫ 88
4. Деформация почвы тяжелым штампом 89
4.1. Общая характеристика системы почва-штамп 89
4.2. О детерминированном характере границы области деформации 91
4.3. Аналитическая форма переменной части порового
объема почвы 96
4.4. Определение области радиальных и осевых
перемещений почвенной массы при сжатии 99
4.4.1. Моделирование процесса погружения штампа
в почвенное полупространство 103
4.4.2. Факторы, определяющие глубину области сжатия почвы 108
4.4.3. Определение области деформаций для микроштампа 112
4.4.4. Коэффициент бокового давления и факторы
его определяющие 114
4.4.5. Методика расчета глубины погружения штампа в почву 118
4.4.6. Зависимость "твердости" почвы от размера
наконечника твердомера 130
4.4.7. Анализ теоретической зависимости размеров области деформации почвы от параметров деформатора 134
4.4.8. Методика расчета глубины погружения штампа по диаграмме внедрения наконечника 137
4.5. Уравнение деформации почвы с учетом формирования уплотненного конуса под штампом 144
4.6. Зависимость глубины погружения штампа от площади контакта при наличии зоны максимальной плотности 149
4.6.1. Опытная проверка зависимости деформации от размера
микроштампа при постоянном уровне удельного давления 151
4.7. Зависимость "твердости" почвы от размера микроштампа при постоянной величине деформации 153
4.7.1. Опытная проверка зависимости "твердости" почвы от размера микроштампа при постоянной величине глубины погружения 154
4.8. Физическая сущность процесса погружения тяжелого круга
в почвенное полупространство 159
Выводы и рекомендации 163
5. Аналитические исследования системы почва-шина ...164
5.1. Энергетический переход от жесткого штампа к деформируемой шине 164
5.2. Оптимизация размеров шины по уплотняющему воздействию на почву 170
5.3. Анализ влияния параметров колеса с шиной на состояние почвы 176
5.3.1. Анализ влияния удельного давления шины на показатели состояния почвы 177
5.3.2. Анализ влияния ширины шины на состояние почвы 183
5.3.3. Аналитический расчет оптимальной ширины шины 190
5.4. Оценка параллельной и последовательной установки колес
по воздействию на почву 192
5.4.1. Оценка воздействия на почву параллельной
установки колес 193
5.4.2. Приближенная оценка воздействия на почву
последовательной установки колес 197
Выводы и рекомендации 203
6. Качение колеса с шиной 204
6.1. Метод расчета сопротивления качению деформируемого
колеса по деформируемому основанию 204
6.2. Расчет сопротивления качению деформируемого колеса
по жесткому основанию 212
6.3. Воздействие на почву шин с зацепами 223
6. 4. Работа шины в ведущем режиме 226
6.4.1. Работав ведущем режиме шины без развитых зацепов 227
ВЫВОДЫ 237
7. Экологическая совместимость мобильных машин с почвой 239
7.1. Экологическая совместимость машины с почвой 240
7.2. Оценка степени совместимости с почвой современных тракторов 243
7.3. Параметры машины, экологически безопасной для почв 249
7.4. Методика расчета параметров состояния почвы
после прохода машины 253
7.5. Методика расчета эксплуатационной массы трактора
по ограничению воздействия на почву 261
7.6. Понятие о коэффициенте полезного действия системы
машина- почва 268
ВЫВОДЫ 271
8. Экспериментальные исследования 272
8.1. Цели и задачи экспериментальных исследований 272
8.1.1. Планирование эксперимента по проверке математической модели погружения штампа в почву 273
8.2, Реализация плана эксперимента... 276
8.3. Экспериментальные исследования уплотняющего воздействия пластинчатого движителя на почву 280
8.3.1. Результаты испытаний колесного трактора, оборудованного движителем шагающего типа 281
8.4. Экспериментальные исследования движителя-рыхлителя игольчатого типа 283
8.4.1. Теоретическая основа движителя-рыхлителя 284
8.4.2. Принцип действия движителя-рыхлителя 286
8.4.3. Испытания движителя-рыхлителя 290
8.4.4. Анализ результатов опытной проверки
движителя-рыхлителя 293
8.5 Трактор экологической версии 296
8.6. Экспериментальная проверка расчетного метода определения сопротивления качения колеса с шиной 300
8.7. Экспериментальная проверка результатов расчета параметров состояния почвы по следам колес 304
Общие выводы и практические рекомендации 313
Литература 320
Приложения 343
- Уплотнение почвы и его влияние на урожайность сельскохозяйственных культур
- Анализ существующих решений задачи о взаимодействии деформируемых пневматика и почвы
- О детерминированном характере границы области деформации
- Энергетический переход от жесткого штампа к деформируемой шине
Введение к работе
Актуальность работы. Современная механизированная технология обработки почв, ухода за посевами и уборки урожая определяется как компрессионная.
Обусловлено это тем, что любая операция, выполняемая машинным агрегатом, сопровождается сжатием почвы.
В результате этого на несколько процентов увеличивается ее плотность и на десятки процентов повышается сопротивление рыхлению.
При этом глубина уплотнения оказывается существенно большей, чем глубина пахоты.
Согласно обобщенным данным журнала "Механизация и электрификация сельского хозяйства", тяговое сопротивление в среднем повышается на 25% по следу гусеничных, на 40 - по следу колесных и на 65 % после прохода комбайнов, автомобилей и прицепов.
В большей степени это проявляется на влажных почвах и суглинистых черноземах, в частности.
Не представляется бесспорным сам принцип создания силы тяги, применяемый в растениеводстве. Для ее получения движителем трактора уплотняется и упрочняется прежде всего верхний слой. И только после этого рабочие органы агрегатируемой машины разрушают упрочненный объем, потребляя повышенную мощность. Если учесть, что часть энергии двигателя трактора затрачивается на рыхление почвы, упрочненной действием массы того же трактора, то оказывается, что его действительный коэффициент полезного действия существенно, в 1,5-1,8 раза меньше, чем условный тяговый, равный отношению мощности на крюке к эффективной мощности двигателя.
Значительный объем экспериментальных исследований, выполненный научно-исследовательскими организациями, подтвердил факт негативных воздействий движителей, но не обнаружил аналитические связи
между параметрами состояния почвы после воздействия машины и технической характеристикой последней.
Искусственно создаваемое упрочнение почв перед их рыхлением, недобор урожая, увеличение затрат энергии на почвообработку, развитие процесса стерилизации почв, все это сделало актуальной проблему защиты почв от воздействия опорно-ходовой части машин.
Характеристика ситуации будет неполной, если не отметить принятый с 1986 г. вариант решения проблемы.
Для защиты почв введены ГОСТы, ограничивающие удельное давление и расчетное механическое напряжение на глубине 0,5 м.
Методика расчета принята из механики грунтов, основу которой составляет теория однородной, изотропной среды.
Расчетный аппарат механики грунтов применим для диапазона площадей 0,25...45 м.кв. однородных изотропных грунтов.
Ограничение области применения объясняется тем, что при малых площадях распределенной нагрузки зависимость деформации от площади принимает характер, обратный тому, который имеет место в указанном диапазоне.
Площадь контакта единичного колеса сельскохозяйственной машины находится за пределами названных размеров площади,
Поэтому принимать расчетное механическое напряжение в качестве критериальной оценки воздействия колеса на почву, нет достаточных оснований.
Представление о том, что решение проблемы сводится к снижению только удельного давления, так же недостаточно обосновано.
При малых площадях распределенной нагрузки, размер штампа в определении величины деформации имеет такое же значение, как и давление.
Анализ работ, относящихся к теоретической части решения проблемы защиты почв от воздействия движителей машин, указывает на необхо-
димость поиска расчетного аппарата, который позволял бы прогнозировать изменения почвенных условий развития растений после воздействия распределенной нагрузки.
С учетом существующего положения в механизации растениеводства, в число приоритетных выдвигается научно-техническая проблема: разработать основные принципы теории изменения свойств черноземов под воздействием распределенной нагрузки и на этой основе создать процессы и технические средства, позволяющие исключить негативные явления в почве и реализовать сберегающую технологию выращивания урожая.
Цель работы: обоснование, разработка и реализация в производственных условиях новых процессов, технических средств воздействия на почву и создания силы тяги - основы энергосберегающей, экологически безопасной технологии выращивания урожая сельскохозяйственных культур.
Объекты исследования: система "почва-штамп", "почва-шина", "почва-конус", а также пластинчатый и игольчатый движители.
Методы исследования: теоретический - математическое моделирование исследуемых систем; экспериментальный - проверка теоретических результатов в лабораторных и полевых условиях на реальных машинных агрегатах, в том числе разработанных автором диссертации.
Научная новизна выполненного исследования заключается в следующем.
В теории уплотнения почвы : традиционное допущение об однородности и изотропности почвенного полупространства не использовано в связи с его несостоятельностью; при описании процесса деформирования не нашли применения модуль общей деформации, коэффициент Пуассона, модуль сдвига; для описания состояния почвы до и после воздействия распределенной нагрузки, а так же величины деформации использованы аг-
рофизические показатели: влажность, плотность, соотношение объема влаги, газа и скелета, градиент сопротивления внедрению наконечника по глубине полупространства.
В отличие от грунтового, почвенное полупространство - агрегированное. А так как размеры агрегатов с глубиной уменьшаются, то почвенное полупространство переходит с глубиной в грунтовое и приобретает свойства сплошной среды, в т.ч. однородность и изотропию.
Раскрытие механизма уплотнения и его математическое описание дало возможность объяснить зависимость "твердости" от размера наконечника твердомера.
В теории взаимодействия колеса с почвой: переход от штампа к реальному колесу с шиной выполнен посредством закона сохранения энергии ; расчет сопротивления качения деформируемого колеса по деформируемому основанию выполнен с учетом прямых показателей агрофизических свойств почвы и реальной характеристики шины; дана теоретическая оценка эффективности параллельной и последовательной установки колес: используя соотношения фаз, а также переменную и постоянную составляющие объема почвенного воздуха, решена ключевая задача о положении центра давления колеса; это значительно повысило степень детерминированности расчета тяговой характеристики машины; удельное давление определяет глубину следа современного колеса, а масса машины - объем и глубину области уплотнения; коэффициенты сцепления, сопротивления качению представлены в виде конкретных функций параметров состояния почвы и колеса.
В теории системы "машина-почва": введено понятие: коэффициент полезного действия системы "машина-почва"; обнаружен новый принцип создания силы тяги; жесткая связь между массой и силой тяги машины устранена, что дает реальную возможность перехода на качественно новый
уровень механизации в растениеводстве, и на его базе разработку экологически безопасных, энергосберегающих технологий.
Практическая значимость результатов исследования.
Математическая модель именно почвенного полупространства позволяет уже на стадии проектирования новых машин или при планировании полевых работ, выполняемых серийными, оценивать их тяговую способность , проходимость, последствия воздействия на почву.
Для этого представлены в работе методики: расчет массы трактора по ограничению воздействия на почву; расчет параметров состояния почвы после прохода машины.
Выявленная зависимость оценки твердости почвы от размера наконечника является основанием для изменения соответствующих нормативных документов.
Коэффициент полезного действия системы "машина-почва" дает, в отличие от условного тягового КПД, объективную характеристику машины по экономии энергии и степени совместимости с почвой.
Оценка сдваивания колес служит основным ориентиром на стадии разработки компановочной схемы машины.
Использование нового принципа создания силы тяги и устранение ее зависимости от массы машины обеспечивает не только защиту почв от переуплотнения, но и значительную (40...60 %) экономию топлива за счет уменьшения массы и одновременного повышения в 6-8 раз коэффициента сцепления.
Полученные при полевых испытаниях опытных образцов машин результаты рекомендуются МИС использовать для проектирования промышленных образцов почворыхлящих, тяговых машин, экологически безопасных для почв.
Реализация результатов исследований. В созданных конструкциях движителей: пластинчатом ( а.с. № 1094776, кл.А) и игольчатом ( патент
РФ № 20111995) использованы результаты теоретических исследований анизотропного, агрегированного полупространства.
На базе игольчатого разработана конструкция самоходного плуга, построен и испытан пешеходный вариант почворыхлящеи тяговой машины экологической версии с высокими тягово-сцепными свойствами и энергонасыщенностью - 75 кВт/т.
Оценка совместимости машин с почвой включена в типовую программу по тракторам и автомобилям для факультетов механизации.
Наиболее значимые результаты включены в последний вариант Примерной программы по той же дисциплине, утвержденной УМО.
Читается спецкурс "Основы расчета машин, экологически безопасных для почв".
Часть результатов исследований вошла в учебник: "Эксплуатация машинно-тракторного парка", изданного за рубежом (на исп. яз.).
Основные положения и рекомендации приняты к использованию Министерством экологии и охраны природы (1993 г.); ВНИПТИМЭСХ (1998 г.); ПО "Ростсельмаш", ВИСХОМ (1992 г.).
Конструкции пешеходных вариантов тракторов-рыхлителей используются в отдельных хозяйствах Ростовской области.
Апробация. В период с 1977 по 1998 гг. материалы диссертации докладывались ежегодно на научных конференциях различного уровня, за рубежом, в том числе на Международной научной конференции (1985 г. г.Гавана), на Всесоюзной конференции по механизации мелиоративных работ (1990 г.); результаты исследований обсуждены и одобрены на объединенном заседании Совета отраслевого научного комплекса по гидротехнике и мелиорации РАСХН, на ученом совете ВНИПТИМЭСХ, на расширенном заседании отделов ВИСХОМ, в Саратовском агро-инженерном университете, в отделе охраны почв Минэкологии и охраны окружающей среды РФ.
Представляемая работа выполнена в соответствии с планом исследований Новочеркасской государственной мелиоративной академии (тема 5.2 - Защита почвы и воздуха от негативных воздействий машин).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 41 печатная работа, в т.ч. 3 монографии, 1 учебник для вузов; 23 научных статьи опубликовано в журналах центральных издательств, в т.ч. зарубежных.
В работе использованы материалы собственных исследований и обобщений автора.
На защиту выносятся следующие понятия и результаты:
модель почвенной частицы, агрегата и полупространства;
понятие о действительном коэффициенте полезного действия системы: машина-почвенное полупространство;
понятие о почвенном слое и почвенном полупространстве как характеристике системы деформатор-почва;
понятие о средней распределенной нагрузке шины на почву;
зависимость деформации почвы от площади контакта и жесткости шины;
зависимость оценки твердости почвы от размера наконечника твердомера;
аналитический способ расчета сопротивления качению колеса с шиной по деформируемому основанию;
определение центра давления шины на почву;
экспертиза мобильных машин по их воздействию на почву;
принципиальная схема работы энергосберегающего, реактивного движителя, экологически безопасного для почв;
результаты полевых испытаний трактора экологической версии.
Автор благодарен И.П. Ксеневичу и [В.В. Кацыгинуь а также сотрудникам ВИМ, работы которых в значительной степени определили направленность и конкретное содержание выполненного исследования.
Уплотнение почвы и его влияние на урожайность сельскохозяйственных культур
Для целенаправленного изучения взаимодействия движителя с деформируемой почвой, в 1978 г. коллективом ученых была разработана: "Программа и методика комплексных исследований по изучению воздействия ходовых систем сельскохозяйственных тракторов, комбайнов и транспортных средств на почву" [149].
В программе представлены основные критерии, которыми оценивается система движитель-почва, а именно: степень уплотнения в зависимости от характера нагрузки со стороны движителя, глубина, на которую распространяется процесс деформационных изменений в почве; показатели эрозионной стойкости после воздействия на нее движителя машины; повышение сопротивления внедрению наконечника твердомера: объемная масса и влажность почвы; макроструктура; водо- и воздухопроницаемость, а также другие агрофизические характеристики почвы.
Плотность и влажность, согласно указанной программе, основные оценочные критерии.
Комплексной оценкой уплотняющего воздействия машины служит урожайность сельскохозяйственных культур.
Авторы указанной работы отмечают, что ни один из вопросов комплексной оценки системы "движитель-почва" достаточно полно не раскрыт, по некоторым вообще отсутствует информация.
В редакционной статье журнала "Механизация сельского хозяйства" [146] отмечается, что применение тракторов привело к снижению урожая на 5...20 % и к перерасходу топлива.
По данным Целинной машиноиспытательной станции [27], плотность почвы в следе колеса трактора К-700 по глубине слоя на севе зерновых увеличивается; в горизонте 0...5 см она составила 1,52 т/м3, а на глубине 20...25 см увеличилась до 1,91 т/м3. Вне колеи эти же показатели равны 1,24 и 1,23, соответственно. Для гусеничного трактора Т-75 в горизонте 0...5 см -1,43 и в слое 20...25 см - 1,64 т/м .
Автор статьи А.В. Вражнов отмечает, что почва уплотнялась на всю глубину пахотного слоя. Под колесом трактора К-700{слой 0...10 ci прочность увеличилась в 5 раз, а в следе Т-75 в 4 раза в сравнении с контролем. Урожай яровой пшеницы в пересчете на гектар по следу К-700 составил 8,93 ц/га, а вне колеи 12,4.
В работе [9] представлены данные по изменению структуры под воздействием движителей тракторов К-700, МТЗ-50.
Наибольшие изменения претерпевают мелкие фракции. Так, если до прохода трактора частицы размером менее 0,25 мм составили 0,1 %, то после прохода их процент значительно увеличился и достиг 0,7;2,3 и 2,4 % для тракторов ДТ-75, МТЗ-50 и К-700 соответственно. Примерно в такой же степени увеличилась фракция частиц размером 0,25...0,50 мм.
Таким образом, при проходе движителя создаются условия для развития ветровой и водной эрозии; период всходов ярового ячменя на 7 дней стал продолжительнее, чем вне следов тракторов.
С целью оценки влияния движителя на урожайность зерновых, в ЦНИИСХ ЦПЧ им. Докучаева в течение 1978-1981 гг. была выполнена серия опытов на тяжелосуглинистом черноземе [231]. Наблюдения показали, что существенное уплотнение почвы под гусеницами ДТ-75 распространяется на глубину до 30 см; под колесами (К-701, МТЗ-80, Т-150К) в слое до 50 см. Глубина вспашки при этом была 20...22 см. Таким образом процесс уплотнения проникает на глубину большую, чем пахотный слой.
В той же работе [231] отмечается, что увеличение числа проходов ведет к нарастанию деформации во всех слоях и особенно в нижних (20...30 и 30...40 см). Уплотнение сопровождалось ухудшением воздушного и питательного режимов: численность основных групп микроорганизмов уменьшилась на 45...50 % после однократного прохода трактора Т-150КиК-701.
Наиболее чувствительным показателем, реагирующим на уплотнение, оказалась водопроницаемость почвы. По данным М.А. Шипилова, водопроницаемость в контрольном пахотном слое составила 0,6...1,3 мм/мин, а при уплотнении тракторами она уменьшилась до 0,010...0,012 мм/мин.
Если, основываясь на данных статьи [231], плотность увеличилась в 1,2...1,3 раза, а водопроницаемость уменьшилась в 60...108 раз, то это подтверждает факт радикальных изменений в структуре почвы, а именно: увеличение внутренней активной поверхности, происходящее за счет интенсивного образования мелких фракций, привело к резкому сокращению водопроницаемости. Естественным результатом будет быстрое испарение осадков, скапливающихся на поверхности почвы. Немаловажным, отрицательным последствием уплотнения, на что указывает автор статьи, является интенсивное засорение посевов сорной растительностью. Проведенные производственные опыты подтвердили снижение урожайности за счет уплотнения.
Урожайность ячменя при использования тракторов ДТ-75М на 9,4....10,9 % была выше в сравнении с К-700 и Т-150К.
Отклонение скважности почвы от оптимальной, неизбежно приводит к снижению урожайности. Опытные данные, представленные в работах [221; 95] показывают, что она должна поддерживаться на соответствующем каждой культуре уровне.
Для различных почвенных зон оптимальный уровень скважности колеблется в интервале 44 - 59 %, в зависимости от выращиваемых культур.
Изменение структуры почвы оказывает решающее влияние не только на ее физико-механические свойства, но и на микрофлору.
По данным Украинского НИИ сельскохозяйственной микробиологии [172], неэродированные и эродированные почвы обладают различной плотностью микробных популяций. Автор В.И. Торжевский указывает, что плоскорезная обработка положительно сказывается на биологической активности почв. При отвальной обработке, например, темно-серой лесной почвы происходит снижение биологической активности, что естественно, отрицательно сказывается на урожайности.
Авторы [238] подчеркивают, что за последние 20 лет давление ходовых систем на почву повысилось в 3...6 раз, достигнув 120...360 кПа. в то время как допустимыми являются 80 на пахоте, 40...60 на севе и 150 кПа на транспортных работах.
Весьма существенно снижается эффективность поливов при уплотненных пахотном и подпахотном горизонтах [168].
Анализ существующих решений задачи о взаимодействии деформируемых пневматика и почвы
Задача о взаимодействии деформируемого движущегося пневматика с деформируемой почвой по мнению многих исследователей сводится к аналитическому расчету остаточной глубины следа, сопротивления качению, буксования и максимально возможной, по условиям сцепления, силы тяги.
Однако в последние годы предлагается уже на этапе проектирования, использовать модель связи движитель - почва - растение (урожай). Один из вариантов решения задачи о взаимодействии шины с почвой предложен в работе [23]. Авторы отдают предпочтение такой схеме расчета, в которой учитываются упругие свойства шины и грунта в продольном направлении. Исходя из того, что универсальной математической модели, правильно отражающей свойства грунта, еще не найдено, авторы предлагают механическую стержневую модель.
Основным качеством ее является способность работать только в диапазоне уплотнения грунта, т.е. до возникновения и развития пластических деформаций под действием внешней нагрузки.
Вторая особенность модели состоит в том, что в ней содержится конструктивный элемент, имитирующий сухое трение. Благодаря этому, учитывается остаточная деформация (глубина следа).
В качестве входных параметров приняты: нагрузка на колесо; свободный радиус колеса; скорость движения колеса (центра); параметры жесткости шины (тангенциальная и радиальная); продольная и нормальная жесткости основания; нелинейная характеристика динамической вязкости грунта-вязкое сопротивление грунта; характеристика элемента сухого трения, приведенная масса основания, приходящаяся на единицу длины зоны контакта.
Все жесткости элементов системы представлены пружинами линейной характеристики; демпфирующие свойства представляет структурный элемент, создающий при вертикальном перемещения поршня усилие, пропорциональное скорости перемещения (диссипативная функция Релея).
В предложенной конструкции механической модели при действии внешней нагрузки, изменяется взаимное положение конструктивных элементов и создается соответствующая реакция.
Авторы отмечают, что наиболее значимыми компонентами реакции являются: сила инерции, вязкость, упругость и остаточные деформации грунта.
Как видно, исходные данные по грунтовому основанию не дают представления о его плотности в начале и после деформации. Следует заметить, что момент инерции массы - величина постоянная. Кроме того, реакция на воздействие внешней нагрузки остается независимой от формы и размера площади распределенной нагрузки; модель не имеет устройства, показывающего глубину прохождения деформаций; кривизна дуги контакта не зависит от свойств основания.
Представление почвогрунта в виде точечной модельной массы ни в коей мере не отражает действительность, так как почвогрунт может быть представлен или как среда, или как деформируемое полупространство. Принципиальным недостатком предложенной модели является то, что она не позволяет определить параметры состояния почвенной массы после прохода колеса.
Между тем, это один из основных вопросов, который, как показал обзор, больше всего беспокоит ученых и практиков как в сельском хозяйстве, так и в промышленности.
Установление четкой аналитической связи между характеристикой машины, параметрами состояния почвы и урожайностью сельскохозяйственных культур, представляет собой в настоящее время одну из основных задач как в теоретическом, так и в практическом плане.
Комплексное ее решение на данном этапе развития земледельческой механики становится возможным, так как отдельные составные части проблемы глубоко исследованы. В настоящее время сформировались объективные представления о характеристике колеса и параметрах качения по деформированному основанию.
Результаты всесторонних и глубоких исследований качения шины представлены в работах профессора В.И.Кнороза. Изложение отдельных аспектов упомянутого исследования целесообразно привести в данном разделе, так как, во-первых, они имеют прямое отношение к вопросу, а во-вторых, помогут выполнить анализ и обосновать отдельные положения, которые будут приняты в дальнейшем.
Исследуя взаимодействие деформируемой шины с деформируемым грунтом, В.И. Кнороз указывает, что нормальная деформация колеса в рассматриваемом случае "„.значительно меньше, чем на твердом покрытии. Шины высокого давления при движении по свежевспаханному и хорошо разрыхленному грунту практически не деформируются." [92].
О детерминированном характере границы области деформации
Совокупность штампа и локальной части почвенного полупространства рассматриваются как единая система. Она обладает переменным уровнем механической энергии. Система образуется с момента контакта штампа с верхним слоем почвенных агрегатов.
Для характеристики системы необходимо иметь характеристики штампа и почвы.
Штамп представляет собой жесткий шероховатый круг со смачивающейся поверхностью; кромка штампа имеет радиус закругления. Масса его такова, что силы тяжести достаточно в течение долей секунды погрузить на глубину, сопоставимую с глубиной следа мобильной машины. Погружение начинается из положения покоя.
Локальный объем почвы, т.е. объем находящийся под штампом до деформации и после нее обладает свойствами почвенного полупространства.
Обязательным требованием является то, что до сжатия почва представляет собой структуру, образованную агрегатами, объединенными в це пи и столбцы. Прочность их с глубиной увеличивается, а размеры агрегатов уменьшаются (Рис. 3.2а). Эта характеристика в сущности и определяет процесс погружения тяжелого штампа в почву. Свойства дисперсности и анизотропии полупространства придают процессу погружения штампа сложный характер.
Сложность и неоднозначность процесса определяется тем, что частицы и их агрегаты при сжатии локального объема полупространства участвуют одновременно в относительном и переносном движении. При этом наблюдается перемещение в трех направлениях: вглубь по направлению движения штампа; в радиальном - параллельно его контактной поверхности и вверх, т.е. к дневной поверхности.
Таким образом, глубина погружения штампа - результат сложения относительных и переносных перемещений агрегатов и частиц почвы.
Следует заметить, что существующая методика исследования с помощью датчиков деформаций, перемещающихся вместе со слоями почвы, не учитывает важнейшей составляющей деформации - переносной. Поэтому результат эксперимента в таком случае отражает лишь часть действительной картины, происходящей в сжимаемом объеме.
Дисперсность и наличие потоков перемещения частиц в разных направлениях - основные условия, в которых и возникает трение, разрушение агрегатов, образование пылевидных частиц.
Процесс деформации протекает при взаимодействии двух групп сил: неконсервативной - силы различных видов трения и консервативной - силы тяжести, упругости и поверхностного натяжения.
Соотношение сил консервативной и неконсервативной групп зависит от физико-механических свойств почвы и от режима ее сжатия. В начальной фазе сжатия, т.е. "чистом" уплотнении основную роль играют неконсервативные силы, а по мере возрастания плотности роль консервативных сил повышается; при этом увеличивается доля сил упругости. В уплотненном состоянии почву можно рассматривать как сплошную среду, к которой применимы положения механики грунтов.
Существующие в настоящее время представления о почве как о сплошной среде позволяют использовать для описании области деформаций линейные соотношения между механическим напряжением и перемещением слоя почвы.
В результате указанного подхода понятие о границах области распространения деформаций имеет неопределенный характер.
И если при расчете прочности грунтового основания и его осадки под действием сил тяжести сооружения, граница области деформаций принимается, исходя из соображения прочности основания, то при решении задач экологической защиты почв от воздействия ходовых систем такой прием неприемлем.
Ошибка в определении границ области сжатия почвы ведет к возникновению нежелательных последствий: при принятии увеличенной зоны возможны неоправданно повышенные энергетические затраты на разрушение уплотненной зоны; принятие уменьшенной области относительно действительной приведет к недостаточной эффективности мероприятий по экологической защите.
Таким образом, только четкое определение границ области деформаций позволяет наметить мероприятия, выполнение которых служит гарантией экологической защищенности почвы.
Если в результате применения машин в почве создаются области повышенной плотности, вызывающие нарушения хода тепло - и массообмен-ных процессов и ухудшение условий для развития культурных растений, то такая технология несовместима с почвой, как элементом экологической системы.
Поэтому одной из основных задач исследования реакции почвы на действие распределенной нагрузки является задача по определению границ сжатого объема.
Задача имеет аналитическое решение, так как моделью почвы служит гетерогенная, дисперсная масса - совокупность множества взаимодействующих почвенных агрегатов, каждый из которых представляет собой незамкнутую консервативную систему, имеющую свою определенную область влияния на соседние агрегаты. Это означает, что в почвенном слое всегда имеется такая цепь агрегатов, которая воспринимает внешнюю распределенную нагрузку без остаточной деформации.
Иначе говоря, на границе области давления деформатора можно устроить нишу, стенки которой не изменяют своего положения. Например, после погружения тяжелого штампа в форме круга, под ним, на глубине Н можно удалить почвенную массу без нарушения равновесия системы, т.е. сила тяжести штампа и почвенной призмы уравновешивается силами сцепления (Рис. 4.1).
Свод ниши - граница области сжатой почвенной призмы. Поверхность свода образована агрегатными цепочками, связанными силами сцепления с остальными, образующими саму призму. Если попытаться удалить со свода ниши сколь угодно малый объем почвы, равновесие системы почва-штамп будет нарушено.
Энергетический переход от жесткого штампа к деформируемой шине
Задача сводится к поиску возможных связей между исследуемыми системами. Очевидно, что общим для них является почвенное полупространство. Шина-деформируемая, сложная система, способная аккумулировать и диссипировать энергию. В таком случае для исследования новой системы целесообразно использовать закон сохранения энергии. Указанный подход позволяет сравнить обе системы по изменению полной механической энергии.
Если изменение энергии и связанное с ним качественное преобразование одной системы равно изменению энергии в сравниваемой, то по нему можно судить и о ее качестве при переходе в новое состояние.
Новое состояние характеризуется изменившимся взаимным положением контактирующих элементов.
Применительно к исследуемым системам это означает следующее. Жесткий штамп погрузился на известную глубину - z„ и при этом вытеснил определенный объём почвы. Изменение энергии произошло в связи с совершением работы против неконсервативных сил. Внешне это выражается глубиной погружения и объемом сжатой части почвенного гидрофизического полупространства. Теперь на ту же почву, под действием силы тяжести, равной весу штампа, опускается колесо с шиной.
Колесо погружается на ту же глубину, что и штамп, а объем уплотненной почвы равен объему уплотненному штампом. Шина при погружении деформировалась, увеличив радиус кривизны в зоне контакта и приобретя потенциальную энергию за счет сжатия объема резины. При снятии нагрузки шина восстановит свою форму, а в почве останется отпечаток - след шины.
При равенстве объемов отпечатков штампа и шины при одной и той же глубине погружения будем считать, что системы энергетически одинаковы, так как в каждой из них изменения энергии равны; работа внутрен них сил в почве под штампом равна работе тех же сил под колесом с шиной.
Следует отметить допускаемую неточность; при сжатии и восстановлении формы шины имеет место гистерезис. Но в тех режимах, в которых работают сельскохозяйственные шины современных конструкций, гистерезис, в сравнении с почвой, достаточно мал и в дальнейшем он учитываться не будет.
Условие равенства объемов сжатой почвы при одинаковой глубине отпечатка под штампом и под колесом является достаточно строгим. Дело в том, что реальная шина посредством грунтозацепов создает значительные области сдвигов. Чем больший объем указанных зон, тем большая глубина погружения. Поэтому требование о равенстве глубины отпечатков штампа и шин как бы автоматически учитывает форму, размер зацепов и насыщенность рисунка протектора; гладкая шина будет иметь больший размер по ширине и длине отпечатка, чем имеющая жесткие, высокие зацепы. Каждый зацеп представляет собой штамп. Поэтому энергетически эквивалентная штампу шина будет та, в которой сумма работ по деформации почвы зацепами и поверхностью впадин равна сумме работ внешних и внутренних сил при погружении штампа.
Вытесненные объемы почвы, по условию эквивалентности системы, должны быть равны.
Формирование объема отпечатка шины произошло не только за счет деформации почвы, но и посредством деформации самой шины, в том числе ее боковин. Таким образом, объем отпечатка зависит не только от состояния почвы и нагрузки, но и от характеристики шины. Поэтому исследовать параметры состояния почвы без одновременного учета характеристики шины невозможно.
В целях упрощения задачи и конкретизации условий, принимаем, что шина имеет форму цилиндра, что вполне допустимо для современных шин сельскохозяйственных машин.
В свободном состоянии ее радиус - Ro, в деформированном - RH.
Угол контакта шины с почвой j8 = 2ф0 (Рис. 5.1).
