Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований 10
1.1 Влияние уплотнения почвы на урожайность с.-х. культур. 10
1.2 Анализ теоретических исследований взаимодействия колесных и гусеничных движителей с грунтом 12
2 Теоретические исследования взаимодействия гусеничного движителя со слоем почвы 28
2.1 Выбор математической модели процесса взаимодействия гусеничного движителя со слоем почвы и ее обоснование. 28
2.2 Методика исследования физико-механических свойств почвы как элемента математической модели процесса взаимодействия гусеничного движителя с почвенным слоем. 46
Выводы по главе 51
3 Экспериментальные исследования физико-механических свойств почвы и процесса развития ее деформаций под траком гусеничного движителя 52
3.1 Лабораторные исследования процесса развития деформаций слоя моделируемого материала под траком 52
3.1.1 Разработка стенда для исследования вертикальных деформаций слоя моделируемого материала под траком при перекатывании по нему опорного катка движителя 52
3.1.2 Обработка и анализ данных лабораторного эксперимента 57
3.2 Штамповые испытания по определению физико-механических свойств почвы 62
Выводы по главе 74
4 Метод оценки уплотняющего воздействия гусеничного движителя на слой почвы 75
4.1 Методика расчета показателей взаимодействия гусеничного движителя со слоем почвы 75
4.2 Результаты расчетов по разработанному методу оценки уплотняющего воздействия гусеничного движителя на слой почвы 84
4.3Влияние скорости и распределения массы гусеничного трактора по опорным каткам на его уплотняющую способность 91
Выводы по главе 98
5 Полевые исследования взаимодействия движителя гусеничного трактора со слоем почвы 101
5.1 Методика полевых исследований 101
5.2 Результаты полевых исследований 104
5.3 Технологические рекомендации производству и оценка эффективности разработанного метода 111
Выводы по главе 115
Заключение 1 1 6
Список литературы
- Анализ теоретических исследований взаимодействия колесных и гусеничных движителей с грунтом
- Методика исследования физико-механических свойств почвы как элемента математической модели процесса взаимодействия гусеничного движителя с почвенным слоем.
- Разработка стенда для исследования вертикальных деформаций слоя моделируемого материала под траком при перекатывании по нему опорного катка движителя
- Результаты расчетов по разработанному методу оценки уплотняющего воздействия гусеничного движителя на слой почвы
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Потребность в увеличении объемов производства сельскохозяйственных культур повышается в связи с ростом численности населения, расширением ассортимента продуктов питания, увеличением поголовья животных.
В настоящее время при возделывании и уборке сельскохозяйственных культур почвенный слой подвергается неоднократному воздействию со стороны движителей машинно-тракторных агрегатов во время обработки почвы, посева, внесения удобрений, мероприятий по борьбе с сорняками и т.д., что приводит к его излишнему уплотнению и отрицательно сказывается на урожайности, а также эксплуатационных качествах и свойствах машин - снижается их производительность вследствие повышения сопротивления обработке, возрастает расход топлива.
Уплотненная почва интенсивнее испаряет влагу, ухудшает газообмен с атмосферой. Кроме того, высокая плотность почвы препятствует нормальному развитию агрокультур и одновременно является благоприятной средой для роста сорняков.
Поэтому в настоящее время актуальной задачей является разработка и применение более эффективных способов и средств выполнения технологических процессов при производстве сельскохозяйственной продукции, снижающих уплотнение почвы и позволяющих повысить урожайность возделываемых культур.
Степень разработанности темы. Изучению влияния движителей сельскохозяйственных машин на изменение свойств почв и урожайность возделываемых культур посвящены работы многих авторов: Я.С. Агейки-на, В.Я. Аниловича, А.С. Антонова, М. Беккера, И.И. Водяника, Д. Вонга, В.П. Горячкина, В.В. Гуськова, Е.Н. Докучаевой, В.А. Желиговского, Н.А. Забавникова, А.Н. Зеленина, Д.И. Золотаревской, В.В. Кацыгина, И.П. Ксеневича, Г.М. Кутькова, В.П. Лапика, М.Н. Летошнева, М.И. Ляско, М.Е. Мацепуро, С.Р. Месчана, А.Ф. Полетаева, О.И. Поливаева, В.А. Русанова, В.А. Скотникова и др. Данные, накопленные ими в ходе многочисленных теоретических и экспериментальных исследований, имеют важное хозяйственное значение. Однако при оценке уплотняющего воздействия движителей гусеничных машин на почвенный слой остаются нерешенными вопросы учета изменения во времени его физико-механических характеристик и напряженно-деформированного состояния.
Цель работы - разработка метода оценки уплотняющего воздействия гусеничного движителя на слой почвы с учетом изменения во времени его физико-механических характеристик, позволяющего повысить эффективность функционирования существующих и прогнозировать показатели работы новых сельскохозяйственных машин при снижении трудоемкости и повышении точности производимых расчетов.
Задачи исследований:
-
Разработать математическую модель процесса взаимодействия гусеничного движителя со слоем почвы;
-
Провести штамповые испытания слоя почвы для исследования его физико-механических характеристик;
-
Теоретически и экспериментально исследовать процесс развития деформаций под траком и получить закономерности изменения плотности почвы после прохода гусеничного трактора;
-
Разработать метод оценки уплотняющего воздействия гусеничного движителя на слой почвы;
-
Разработать рекомендации по определению рациональных режимов работы гусеничного трактора при выполнении различных сельскохозяйственных операций (культивация, посев и др.) и оценить экономическую эффективность их внедрения.
Объект исследования - процесс взаимодействия гусеничного движителя со слоем почвы.
Предмет исследования - особенности формирования и изменения во времени напряженно-деформированного состояния почвенного слоя при учете его реологических свойств в зоне контакта со звеном гусеничного движителя.
Методология и методы исследований. Исследования проводились с использованием основных положений теории наследственной вязкоупру-гости, теории напряженного и деформированного состояний, теории математического планирования эксперимента с применением измерительно-регистрирующей аппаратуры и ЭВМ. Полевые исследования проводились согласно ГОСТ 7057-2001 «Тракторы сельскохозяйственные. Методы испытаний», ГОСТ 20915–2011 «Испытания сельскохозяйственной техники. Методы определения условий испытаний» со статистической обработкой результатов исследования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана математическая модель процесса взаимодействия гусеничного движителя со слоем почвы, учитывающая нелинейность эпюры давлений под траком. При этом вертикальная, сдвиговая и объемная деформации, плотность почвы, буксование движителей, а также коэффициент сопротивления движению трактора являются функциями от времени и характера взаимодействия его ходовой системы с почвенным слоем;
-
Получены закономерности развития вертикальной и сдвиговой деформаций слоя почвы на основе экспериментальных исследований с использованием новых устройства (пат. №2365916) и способа (пат. №2366944). Теоретически получены закономерности изменения напряжений в слое почвы под траком гусеничного движителя;
-
Разработан метод оценки уплотняющего воздействия гусеничного движителя на почвенный слой с учетом изменения его физико-
механических характеристик, позволяющий определять значения вертикальной, сдвиговой, объемной деформации и плотности почвы, а также коэффициента сопротивления движению трактора и буксования движителей. При этом изменение данных показателей происходит в соответствии с релаксационными процессами по предложенным аналитическим зависимостям. Даны рекомендации по использованию разработанного метода.
Теоретическая и практическая значимость работы. С применением теории наследственной ползучести упруговязкопластичных материалов разработана методика определения нормальных и касательных напряжений под траком гусеничного движителя, которые могут быть использованы в расчетах вертикальной, сдвиговой, объемной деформаций слоя и плотности почвы после прохода различных типов с.-х. машин на гусеничном ходу. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработан метод оценки уплотняющего воздействия гусеничного движителя на слой почвы, позволяющий определить оптимальные показатели внешнего силового воздействия со стороны движителей при заданных параметрах состояния почвенного слоя. Разработаны рекомендации по использованию данного метода. Разработано устройство (пат. №2365916), позволяющее в полевых условиях проводить исследование физико-механических характеристик слоя почвы с применением ЭВМ.
Положения, выносимые на защиту:
– математическая модель процесса взаимодействия гусеничного движителя со слоем почвы;
– устройство для исследования физико-механических характеристик слоя почвогрунта и способ их определения;
– результаты экспериментальных исследований процессов деформирования слоя почвы штампом и гусеничным движителем;
– метод оценки уплотняющего воздействия гусеничного движителя на слой почвы;
– результаты расчетов, полученные при реализации разработанного метода, и рекомендации по его использованию.
Степень достоверности и апробация результатов. При нахождении значений оценочных показателей взаимодействия гусеничного движителя с почвенным слоем использовались известные зависимости теории трактора, общепринятые методики разработки критериев подобия технических систем, определения плотности и влажности почвы (ГОСТ 20915-2011), скорости трактора при полевых испытаниях (ГОСТ 7057-2001). В ходе регистрации и обработки экспериментальных данных, а также расчетов показателей взаимодействия гусеничного движителя со слоем почвы использовались стационарные и портативные персональные компьютеры с пакетом современных (Microsoft Office 2010, Borland Delphi 7, КОМПАС-3D V14 и др.) лицензионных программ, а также специально разработанных и прошедших регистрацию в Государственном информационном фонде
неопубликованных документов (свидетельства ОФАП №50201350217, №10182, №50201350981). Исследования физико-механических свойств почвы проводились с применением специально разработанных способа и устройства, на которые были получены патенты РФ (№2366944, №2365916), с обработкой экспериментальных данных и получением уравнений регрессий по общепринятым методикам. Достоверность результатов расчетов показателей деформирования слоя почвы, полученных теоретическим путем, подтверждена их схождением с экспериментальными данными полевых исследований трактора.
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на: Восьмой региональной молодежной научной и инженерной выставке «Шаг в будущее, центральная Россия» (г. Липецк, 2005 г.); V, VI и VIII Всероссийских научно-технических конференциях «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (г. Екатеринбург, 2007, 2008, 2010 гг.); Межрегиональном съезде молодых ученых России «Молодежь в науке: проблемы и перспективы» (Липецк, 2008 г.); Международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем» (Волгоград, 2009 г.); Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ» (Москва, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК» (Мичуринск - наукоград РФ, 2015 г.); научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, докторантов и аспирантов ФГБОУ ВПО ЛГТУ в 2006-2015 гг.; заседании кафедры «Транспортные средства и техносферная безопасность» ФГБОУ ВПО ЛГТУ в 2015 г.
Реализация и внедрение результатов исследования. Результаты диссертационной работы в виде рекомендаций по использованию метода оценки уплотняющего воздействия движителя гусеничного трактора на слой почвы с пакетом прикладных программ (свидетельства ОФАП №50201350217, №10182, №50201350981) внедрены в ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт рапса (г. Липецк) и в ЗАО «Агрофирма имени 15 лет Октября» (Липецкая область, Лебедянский район, с. Троекурово). Программа расчета объемной, сдвиговой, вертикальной деформаций и плотности почвы после прохода гусеничного трактора используется в учебном процессе при подготовке студентов направлений подготовки 190100 «Наземные транспортно-технологические комплексы» и 190109 «Наземные транспортно-технологические средства» в Липецком государственном техническом университете. Устройства, реализованные в ходе экспериментальных исследований, используются в ЛГТУ при подготовке магистров по направлению 190100 «Наземные транспортно-технологические комплексы» в рамках дисциплины «Исследования и ис-
пытания наземных транспортно-технологических машин», а также студентов по направлению подготовки 110400.62 «Агрономия» в Елецком государственном университете им. И.А. Бунина во время учебно-полевой практики.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 19 печатных работ, в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, два патента РФ на изобретения и три свидетельства об отраслевой регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 172-х страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков, 19 таблиц, 12 приложений и список литературы из 163-х наименований.
Анализ теоретических исследований взаимодействия колесных и гусеничных движителей с грунтом
Проблема переуплотнения почвы как части общей системы «движитель - почвенный слой» под воздействием ходовых систем сельскохозяйственных машин на сегодняшний день требует применения новых знаний в области изучения ее физико-механических характеристик, создания новых методов оценки взаимодействия элементов данной системы. При этом необходимо учитывать влияние фактора времени на уровень силового воздействия со стороны ходовых органов, а также наличие реологических свойств у деформируемого слоя почвы.
Изучением влияния движителей колесных и гусеничных машин на изменение параметров состояния почв и урожайность сельскохозяйственных культур занимаются: ВИМ, Почвенный институт им. В.В. Докучаева, РАСХН, РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, Воронежский ГАУ, Брянский ГАУ и др. Анализу этих вопросов посвящены работы многих авторов: Я.С. Агейкина, В.Я. Аниловича, А.С.Антонова, М. Беккера, И.И. Водяника, Д. Вонга, Г.С. Горина, В.П. Горячкина, В.В. Гуськова, А.Б. Денисова, Е.Н. Докучаевой, В.А. Желиговского, Н.А. Забавникова, А.Н. Зеленина, Д.И. Золота-ревской, В.В. Кацыгина, И.П.Ксеневича, Г.М. Кутькова, В.П. Лапика, М.Н. Летошнева, М.И. Ляско, М.Е. Мацепуро, СР. Месчана, А.Ф. Полетаева, О.И. Поливаева, В.А. Русанова, В.А. Скотникова, В. Харрисона, В.Т. Ходыкина и др. Данные, накопленные ими в ходе многочисленных теоретических и экспериментальных исследований, имеют важное хозяйственное значение.
В качестве оценочных показателей уплотняющего воздействия ходовых систем на почвенный слой различными авторами используются: среднее давление движителей q, максимальное давление движителей q [34]; максимальное напряжение ah в деформируемом слое на глубине 0,5 м [35]; уплотняющий показатель воздействия U (кН/м) [73]; влажность, твердость, остаточная вертикальная деформация почвы [108] и др.
Основополагающими в области механики грунтов и исследовании физических свойств почвы являются труды А.Н. Зеленина, И.Б. Ревута, Н.А.Цытовича и др.
В работах А.Г. Бондарева [14, 123], А.М. Кононова [65, 66, 67], В.В.Медведева [87, 89], В.А. Русанова [130] оценены значения допустимых давлений на грунт со стороны ходовой системы трактора. Кроме того, отмечается, что «отрицательное действие уплотнения почвы тракторами на эффективное плодородие зависит от погодных условий вегетации» [160], «экологозащитность движителя определяется не только его конструктивными свойствами, но и свойствами контактирующей с ним среды» [75], «наибольшее уплотнение наблюдается при движении машин по свежеобработанной рыхлой пашне» [73]. Подобные формулировки авторов являются подтверждением того факта, что процесс взаимодействия в системе «движитель - почвенный слой» сложен и требует рассмотрения не только с позиции внешнего силового воздействия, но и с позиции физико-механического состояния почвы - влияния ее свойств на поведение под воздействием внешнего нагружения. Эти вопросы освещены в работах авторов: В.П. Горячкина, И.В. Кузнецовой, А.С. Кушнарева, М.Е. Мацепуро и др. [9, 25, 26, 29, 30, 60, 62, 68, 77, 79, 84, 85, 90, 107, 125, 127, 143, 144, 149, 151, 152, 156, 157, 158, 161].
Весомый вклад в развитие теории движения колесных и гусеничных машин, а также теории взаимодействия их движителей с различными грунтами внесен Я.С. Агейкиным, В.Я. Аниловичем, А.С. Антоновым, М.Г. Бек-кером, В.В. Гуськовым, Н.А. Забавниковым, Д.И. Золотаревской, В.В. Ка-цыгиным, А.М. Кононовым, С.С. Корчуновым, М.К. Кристи, И.П. Ксеневи-чем, Л.Н. Кутиным, Г.М. Кутьковым, М.Н. Летошневым, Е.Д. Львовым, М.И. Ляско, С.В. Носовым, Ф.А. Опейко, В.Ф. Платоновым, А.В. Рославце-вым, В.А. Русановым, В.А. Скотниковым – [1, 3, 5, 9, 38, 39, 40, 73, 76, 98, 124, 128, 146 и др.].
В работах В.Я. Аниловича, А.В. Васильева, И.И. Водяника, В.В. Гусь-кова, А.Б. Денисова, Н.А. Забавникова, В.В. Кацыгина, И.П. Ксеневича, А.П. Куляшова, М.В.Ляшенко, В.А. Скотникова, О.Л. Уткина-Любовцова и др. рассматриваются базовые вопросы формирования сил сопротивления движению гусеничных сельскохозяйственных машин, распределения нормальных давлений вдоль опорной длины гусеницы, буксование и КПД гусеничных движителей, их сцепные свойства и др. Авторами получены формулы, выра 15 жающие зависимость максимальных создаваемых давлений от влияющих факторов - шага гусеницы, расстояния между соседними опорными катками, усилия предварительного натяжения гусеничной цепи и др.
В ряде работ [4, 8, 9, 22, 23, 45, 73, 133, 137, 138, 141] эпюра давлений под опорной ветвью гусеницы носит либо линейный характер (прямоугольная, трапециевидная, треугольная с вершинами на передней кромке, на задней кромке, на промежуточной точке опорной ветви), либо имеет ярко выраженные очаги максимальных значений напряжений в зонах расположения опорных катков. Кроме того, в работах [45, 146] отдельно рассмотрен вопрос о прогибе гусеницы между опорными катками и передаче этой частью опорной ветви давлений на грунт. Гусеничная цепь при этом представляет собой гибкую нерастяжимую ленту. Приведены также аналитические зависимости, характеризующие распределение нормальных давлений. Однако подобное описание является приближенным, так как в реальности вес трактора передается на опорные катки и расположенные под ними отдельные звенья гусеничной цепи и уже через эти локальные опоры деформирует грунт. Рассмотрение равновесного состояния вычлененного из опорной ветви гусеницы единичного трака с его взаимосвязями в шарнирах соседних траков приводится в работах [19, 42, 73, 82, 124]. Внешнее нагружение траков гусеничной цепи происходит приведенными к точке контакта силами, заменяющими собой опорные катки движителя. Однако, несмотря на известный факт изменения формы эпюры при перемещении опорного катка по звену гусеничной цепи, закономерность распределения давлений по-прежнему представляется в линейном виде. Как отмечено в работе [133], это упрощение связано со сложной кинематикой шарниров трака, отрывающихся в процессе наезда на него опорных катков от поверхности почвенного слоя. В действительности же напряжения под траком при движении машины распределяются неравномерно и нелинейно [96], концентрируясь максимальными значениями вокруг точки контакта звена гусеницы с катком и уменьшаясь в стороны от нее. Уточненное описание данного процесса представляется возможным с применением теории ползучести упруго-вязко-пластичных материалов, обладающих реологическими свойствами, где картину изменяющихся во времени напряжений можно сформировать по известным значениям деформаций [95]. Необходимые для этого интегрирование сложных функций, решение систем нелинейных уравнений и др. промежуточные вычисления позволяют оперативно проводить современные быстродействующие ЭВМ.
Созданию математических моделей деформирования грунтов посвящены работы Я.С. Агейкина, В.Ф. Бабкова, М.Г. Беккера, А.К. Бируля, А.В. Васильева, И.И. Водяника, В.П. Горячкина, В.В. Гуськова, А.Б. Денисова, А.Н.Зеленина, Д.И. Золотаревской, А.Ю. Ишлинского, В.В. Кацыгина, И.П.Ксеневича, Ю.И. Кузнецова, В.И. Кузьмина, М.Н. Летошнева, М.И. Ляс-ко, М.Е. Мацепуро, СР. Месчана, СВ. Носова, А.Ф. Полетаева, В.А. Русанова, В.А. Скотникова, О.Л. Уткина-Любовцева, В.Т. Ходыкина и др. [1, 6, 10, 11, 32, 46-52, 57, 61, 71, 72, 74, 97, 132].
Методика исследования физико-механических свойств почвы как элемента математической модели процесса взаимодействия гусеничного движителя с почвенным слоем.
По нескольким точкам трака может быть построена эпюра напряжений под ним в конкрентный момент времени (рисунок 7). В ходе обработки результатов лабораторных опытов для базовых условий эксперимента искомые эпюры были получены. Одна из них, посчитанная для момента времени 0,1 с после начала деформирования материала под траком, представлена на рисунке
Из рисунка 8 видно, что эпюра не линейна, а принимает вид кривой, обращенной относительно трака вогнутостью вниз, изменяясь в зависимости от расположения опорного катка гусеничного движителя [96] в отличие, например, от [73], где она условно разделяется на прямоугольную и треугольную составляющие.
Осуществить переход от модельной эпюры м =/(t) к реальной (натурной) н =/(t) можно, добиваясь выполнения равенства (2.40), для чего должен использоваться метод последовательных приближений (см. главу 4). Недостающие данные для определения предложенного критерия К для натуры (Ен=Епоч, рн=) были получены в ходе штамповых испытаний (см. главу 3).
Таким образом, анализируя поведение одного звена во времени при последовательном наезде на него каждого катка гусеничного движителя, соблюдая равенство критериев подобия модели и натуры, можно с помощью уравнений (2.15), (2.18) выйти на определение численных значений вертикальных и горизонтальных деформаций при различных скоростных режимах работы машины и параметрах состояния почвенного слоя.
Для оценки показателей взаимодействия ходовых систем с почвой используют, как правило, закономерности е сжатия и сдвига, имея в виду, что первая характеризует процессы образования колеи, а вторая - формирование движущей силы [22]. Сами закономерности получают из опытов, в которых к почвенному слою прикладывается нагрузка через жесткий штамп. По полученным диаграммам изменения деформации во времени предоставляется возможность анализировать реологические свойства исследуемой почвы.
Значения реологических характеристик І, І, АІ, входящих в уравнения (2.17), (2.20), и модулей деформации Епоч, Gпоч, определяемых по выражениям (2.16), (2.19), находят по результатам мгновенного нагружения слоя почвы с выдерживанием нагрузки в течение некоторого времени и мгновенного раз-гружения.
На рисунке 1 (глава 1) представлена подобная диаграмма деформирования материала, обладающего реологическими свойствами, при нагрузке, изменяющейся по закону [63]: a(t) = a -h(t), Ш) = \при ґє[0;У; [hit) = О при ґє[ґк;ао], где к - действующее напряжение, Па; h(t) - функция Хевисайда; tк - время нагружения, с. Деформация в любой точке диаграммы состоит из необратимой н и обратимой об части, а также необратимой н и обратимой обt составляющих, развивающихся в процессе ползучести. Способность деформирования уплотняемых материалов, в результате нагружения которых развивается необратимая деформация, принято описывать модулем деформации [150, 151]. Причем полная деформация характеризуется модулем деформации, обратимая деформация, соответственно, модулем обратимой деформации, необратимая деформация - модулем необратимой деформации. Поскольку рыхлая почва обладает слабовыраженной способностью накапливать обратимую деформацию, то в данной работе принято допущение, что она отсутствует и не будет учитываться в расчетах.
Реологические свойства почвы могут меняться в зависимости от параметров ее состояния и условий нагружения. Поэтому при определении мгновенных модулей деформации почвы (Епоч, Gпоч) в выражениях (2.16), (2.19) следует задействовать функции подобия кривых ползучести.
В нашем случае для полного описания процесса деформирования почвенного слоя под гусеничным движителем необходимо оценить его поведение при действии различных нормальных и касательных напряжениях в пятне контакта и изменяющихся параметрах состояния самой почвы (плотности, влажности). Искомая функция подобия должна учитывать все эти факторы:
Таким образом, имея значения деформаций для базовой кривой ползучести и установив коэффициенты подобия, можно определить деформации почвы при различных ее состояниях для всех исследуемых условий нагружения.
В данной работе для определения коэффициентов , , АІ, а также значений мгновенных модулей деформации Епоч, Gпоч разработана специальная программа на ЭВМ [99]. При проведении расчетов по данным эксперимента выбирают несколько точек базовой кривой развития деформации почвенного слоя во времени и заносят их координаты на форму. Во время выполнения процедуры программы пошагово подбираются значения i, i, АІ, Епоч, Gпоч таким образом, чтобы среднее квадратичное отклонение
Разработка стенда для исследования вертикальных деформаций слоя моделируемого материала под траком при перекатывании по нему опорного катка движителя
Из графика (рисунок 32) видно, что с ростом нагрузки на крюке трактора значения вертикальных деформаций ведут себя по-разному. Так, при отсутствии тяговой нагрузки наибольшими являются деформации верт1, верт2 под первым и вторым катками по ходу движения машины, так как на них приходится бо/льшая часть веса трактора. Центр давления в этом случае смещен вперед относительно середины опорной длины гусеницы. Третий и четвертый катки разгружены и уплотняемая почва практически не подвергается деформированию под их воздействием.
В диапазоне крюковой нагрузки от 13 до 15 кН значения деформаций после прохода каждого из катков примерно равны, хотя при этом напряжения под траками в зоне расположения катков весьма различны (см. таблицу 13). Следует учесть, что свойства почвы изменяются при последовательном проходе катков, поэтому для ее деформирования на одно и то же значение требуются различные значения напряжений. По мере того как центр давления смещается назад, передние катки разгружаются и оказывают все меньшее воздействие на почвенный слой. При этом вертикальные деформации верт1 и верт2 снижаются вплоть до минимальных значений. Наоборот, деформации под третьим и четвертым по ходу движения трактора катками верт3, верт4 при высоких крюковых нагрузках принимают наибольшие значения вследствие догружения задних кареток вертикальной составляющей реакции почвы от ее взаимодействия с сельскохозяйственным орудием. Следует отметить также особенность поведения кривой верт4=f(Ркр). До значения Ркр, равного 20 кН, данная кривая представляет собой возрастающую криволинейную функцию. Однако при Ркр 20 кН наблюдается ее убывание. Это объясняется тем, что почва при значениях Ркр, близких к максимальным, практически не уплотняется катками передней каретки. Таким образом, рыхлый почвенный слой подвергается воздействию значительных нормальных напряжений, приходящихся на третий опорный каток. Резкое деформирование приводит к интенсивному росту плотности почвы (см. рисунок 32). Четвертый каток проезжает уже по более твердой поверхности почвы и поэтому создает меньшую колею.
Форма кривой верт_общ объясняется тем, что в диапазоне Ркр от 5 кН до15 кН наблюдается более равномерное распределение весовой нагрузки по каткам трактора. Усредненная эпюра давлений под опорной ветвью гусеницы приближается к прямоугольной, вследствие чего рост вертикальных деформаций происходит менее интенсивно, в отличие от участков Ркр от 0 кН до 5 кН и от 15 кН до 30 кН, где нормальные напряжения сконцентрированы соответственно в передней или задней частях движителя гусеничного трактора. При более равномерной эпюре давлений колея после прохода трактора заметно меньше. Кроме того, значительные тяговые усилия, помимо сопротивления движению машины, создают дополнительную вертикальную нагрузку на почвенный слой от взаимодействия с ним рабочего органа. Вследствие этого общая вертикальная деформация с ростом Ркр (при прочих равных условиях) несколько увеличивается в сравнении со значениями колеи при малых Ркр.
Кривые на рисунке 33 дают возможность оценить особенности изменения плотности почвы после прохода опорных катков ходовой системы машины в зависимости от крюковой нагрузки.
В целом подтверждаются выше описанные заключения о максимальном уплотнении почвы в случаях, когда весовая нагрузка по каткам движителя распределена наиболее неравномерно – при Ркр=0 кН и Ркр=30 кН. При минимальном значении Ркр основное увеличение плотности почвы наблюдается после прохода первого и второго опорных катков (н1, н2). Плотность почвы после прохода 3 и 4 опорных катков (н3, н4) в этом случае изменяется незначительно. Подобная закономерность наблюдается при больших значениях Ркр, с той лишь разницей, что основное уплотнение здесь происходит под задними катками трактора. Особенности вида кривых нi=f(Ркр) связаны также с параметрами состояния самой почвы. Так, от катка к катку изменяется ее плотность, что влияет на дальнейшую деформационную способность – уплотненный слой почвы заметно лучше противостоит внешнему воздействию.
Анализируя вид кривых гор_общ=f(Ркр) и = f(Ркр), можно сделать вывод, что буксование находится в пределах допустимой величины (6-7% при номинальном тяговом усилии), что еще раз подтверждает адекватность разработанной математической модели и рекомендуемого метода оценки показателей взаимодействия гусеничного движителя со слоем почвы. Рост общей горизонтальной деформации после прохода трактора с увеличением нагрузки на крюке обусловлен повышением сдвиговых напряжений в почвенном слое. Способность почвы противостоять сдвигу является важной характеристикой с точки зрения агротехники и экологичности движителей, так как повышенный уровень буксования вызывает эрозию, выветривание, разрушение структуры плодородного слоя и т.д., что отрицательно влияет и на урожайность сельскохозяйственных культур. По значению общей сдвиговой деформации можно судить о допустимости использования машины с определенной тяговой нагрузкой на данном почвенном фоне при текущих параметрах его состояния (плотности, влажности).
Увеличение нагрузки на крюке трактора влияет также на изменение касательных напряжений в почвенном слое н1, н2, н3, н4 под каждым из опорных катков гусеничного движителя (рисунок 35).
С ростом суммы сил сопротивления движению необходимая касательная сила тяги гусеничного движителя по сцеплению также возрастает, в противном случае не выполнится условие возможности движения машины, при котором касательная сила тяги по сцеплению Рк больше суммы Pc сил сопротивления движению машины: Рк Pc. Кривая поч = f(Ркр) отражает зависимость потребных касательных напряжений, необходимых для преодоления сопротивления движению от прессования почвы, от тяговой нагрузки. Чем больше глубина колеи, создаваемой движителями, тем больше сопротивление движению трактора, поэтому ход кривой подобен зависимости верт_общ = f(Ркр).
Еще одной особенностью взаимодействия гусеничного движителя со слоем почвы является уменьшение касательных напряжений н1 и н2 под 1-м и 2-м катками соответственно при высоких значениях Ркр. Слабо уплотненная почва с низкой влажностью способна обеспечить достаточную энергоотдачу ходовой системе для создания движущей силы, только находясь под воздействием значительных вертикальных напряжений. Однако нормальные напряжения в слое под катками передней каретки слишком малы по сравнению с напряжениями под катками задней каретки, на которую приходится 2/3 общего веса машины при Ркр=20 кН и почти полный вес при Ркр=30 кН (см. таблицу 2). Поэтому в создании полезной работы при данных условиях участвуют в основном траки под задними катками. Таким образом, увеличиваются напряжения н3 и н4, а кривые н1= f(Ркр) и н2= f(Ркр) стремятся к минимуму.
Результаты расчетов по разработанному методу оценки уплотняющего воздействия гусеничного движителя на слой почвы
В настоящей работе плотность на глубине 20-40 см не определялась и ее изменение от внешних воздействующих факторов не анализировалось. Однако если предположить, что подпахотный слой остается вовсе нетронутым и в формуле (5.1) пп = опт, влияние плотности верхнего плодородного слоя (0-20 см) на изменение урожайности так же очевидно. Например, для картофеля с показателями: Утах=225 ц/га, Сп =1,485, Спп =0,925, п=1,610, опт=1,18 г/см3 [133], превышение уплотнения пахотного слоя на 0,08 г/см3 относительно оптимального даст следующий результат: У1=225{1-[(1,4851,26-1,18)1,61]} = 217,7 ц/ га. Здесь потери картофеля относительно максимальной урожайности составляют 7,3 ц/га или 3,2%.
Данные, полученные в ходе имитационного моделирования с использованием разработанного метода оценки уплотняющего воздействия гусеничного движителя на почвенный слой (таблицы 13, 14), показывают, что уже при однократной обработке с.-х. культуры разница плотностей почвы может достигать тех же 0,08 г/см3. Так, при действующей тяговой нагрузке в 10 кН конечная плотность по следу гусеничного трактора составляет 0,984 г/см3, а при тяговой нагрузке 25 кН - изменяется до 1,064 г/см3 (таблица 13). Подобным образом увеличение скорости гусеничного трактора в свободном режиме с 0,9 м/с (3,2 км/ч) до 1,7 м/с (6,1 км/ч) влечет за собой уменьшение глубины оставляемой колеи и плотности почвы после его прохода с коні=1,04 г/см3 до кон2=0,96 г/см3 (таблица 14). Поскольку уравнение (5.1) представляет собой показательную функцию, нельзя утверждать, что одинаковая разница между любыми двумя сравниваемыми значениями п даст равное изменение урожайности, однако сама тенденция гарантированно сохранится. При увеличении числа обработок приращения плотности будут накапливаться, и снижение урожайности даст более ощутимый результат.
Сформировать перечень мер по снижению уплотняющего воздействия гусеничного движителя на слой почвы можно с помощью предложенного в данной работе метода. Его эффективность оценивалась при возделывании ячменя «Пионер» в ЗАО «Агрофирма имени 15 лет Октября» Лебедянского района Липецкой области, где технологией предусматривалось использование тракторов ДТ-75. Соответствующее подтверждение с результатами исследований приводится в приложении В.
Для наблюдения за процессом роста растений было выделено два участка по 50 га общего поля площадью 100 га. По гранулометрическому составу почва относится к выщелоченному чернозему, на долю которого приходится 79,4% площади всех пахотных земель Липецкой области. До предпосевной обработки почвы параметры ее состояния были следующими: влажность 25±2%, плотность 1,3±0,02 г/см3.
По технологии возделывания ячменя перед посевом проводилась сплошная культивация с одновременным боронованием на глубину заделки семян (5±1 см) в один след. В составе агрегата с трактором ДТ-75 использовался культиватор КПС-4 шириной захвата 4 м. Среднее значение крюковой нагрузки составляло 22 кН. Скорость агрегата поддерживалась постоянной -8 км/ч. Предварительная оценка условий проведения данной операции показала, что для более равномерного распределения веса по опорным каткам движителя требуется дополнительное смещение центра давления трактора вперед. С этой целью на переднюю часть рамы навешивались дополнительные грузы общей массой 150 кг. В результате, несмотря на общее увеличение массы агрегата, удалось снизить плотность почвы «по следу» гусениц с 1,41 г/см3 на базовом участке, где использовался груз массой 90 кг, до 1,36 г/см3 на исследуемом. Плотность почвы «вне следа» после культивации выбранных участков составила 1,1 г/см3.
При посеве ячменя использовались три зернотуковые сеялки СЗ-3,6 со сцепкой СП-11 общей массой 4990 кг. Сила тяги на крюке трактора при работе с полностью укомплектованным прицепным оборудованием составила 11 кН. При такой нагрузке смещение центра давления минимально (около 4 см), и дополнительного навешивания грузов не требовалось. Увеличением скорости с 8 км/ч до 11 км/ч удалось снизить уплотнение почвы «по следу» гусениц на 0,03 г/см3. На базовом участке после прохода трактора ее конечная плотность составила 1,21 г/см3, на исследуемом - 1,18 г/см3.
Для выравнивания верхнего слоя почвы и уменьшения потерь влаги от выдувания проводилось прикатывание посевов. Агрегат, задействованный на данной операции, состоял из трактора ДТ-75 и трехсекционного катка 3ККШ-6 со сцепкой СГ-21Б. Увеличением скорости прикатывания с 8 км/ч до 11 км/ч в сравнении со штатным режимом удалось снизить плотность почвы «по следу» гусениц на 4,8% и она составила 1,17 г/см3. На второй половине поля, обрабатываемой по базовой технологии, эта величина была равной 1,23 г/см3.
В среднем плотность почвы «по следам» гусениц трактора удалось снизить на 9-11%. Годовой прирост урожайности ячменя вследствие применения указанных мер по снижению уплотнения составил 3,5 ц/га. При этом был достигнут экономический эффект от продажи ячменя с учетом его средней рыночной стоимости в 2014 году (8000 руб. за тонну) в размере 140000 рублей (2800 руб./га).
По расчетам, проведенным с помощью представленного в данном исследовании метода оценки уплотняющего воздействия гусеничного движителя на слой почвы, рекомендуется увеличивать скорость на операциях посева и прикатывания до 11 км/ч, а при культивации на переднюю часть рамы трактора навешивать дополнительный груз массой 150 кг для выравнивания эпюры нормальных напряжений под опорной ветвью гусеницы. Аналогичные меры для повышения урожайности можно разработать при изменении влажности почвы, размеров отпечатка, образованного в результате контакта движителя с поверхностью слоя, развиваемой касательной силы тяги и других факторов, также влияющих на плотность почвы, и, как следствие, на урожайность с.-х. культур.