Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы, направления и задачи исследования 11
1.1. Воздействие на почву традиционной технологии возделывания сельскохозяйственных культур 11
1.2. Воздействие на почву минимальных технологии 21
1.3. Современные способы обработки почвы и рабочие органы 27
1.4. Механические модели почвы 32
1.5. Теории разрушения почвы 36
1.6. Цель, задачи и основные направления исследования 38
Глава 2. Теоретические основы снижения энергоёмкости обработки почвы 42
2.1. Твердая фаза почвы как система материальных частиц 42
2.1.1. Почва в свете статистической механики 43
2.1.2. Почва в свете квантовой механики 45
2.1.3.Энергия температурных колебаний в почвенных слоях 50
2.1.4. Саморазрыхление почвы в естественных природных условиях 58
2.1.4.1. Почва в кинетической теории прочности 59
2.1.4.2. Почва в физико-химической теории прочности 64
2.2. Почвенная вода в системе материальных частиц 72
2.2.1. Структура, свойства, силы взаимодействия и энергия молекул природной воды 72
2.2.2. Движение молекул объемной (свободной) воды 78
2.2.3. Водные растворы 81
2.2.4. Структура и свойства связанной воды 86
2.2.5. Силы в граничных слоях воды 90
2.2.6. Разрыхление твердой фазы почвенной водой 96
2.2.7. К почвенным растворам 101
2.2.8. К немеханической обработке почвы 105
2.3. Почвенный воздух в системе материальных частиц 108
2.4. Почвенная биота в системе материальных частиц 113
2.5. К показателю качества обработки почвы
2.5.1. Почва в свете исследовании различных наук 119
2.5.2. Условия формирования почвенного раствора 125
2.5.3. Удельная поверхность как показатель качества почвенного слоя 136
2.6. К основам энергосберегающей обработки почвы 143
2.6.1. К теории разрушения почвы 143
2.6.2. Энергия крошения почвы 154
2.6.3. Реологическая модель почвы 167
2.6.4. Структурная вязкость почвы 180
2.6.5. К обоснованию принципа воздействия на почвенный пласт. Л 84
2.6.6. К определению тягового сопротивления рабочего органа 187
Выводы 191
Глава 3. Обоснование уровня технологического воздействия на почву при возделывании зерновых культур в степной зоне 194
3.1. Почвенно-климатические условия степной зоны 194
3.2. Влияние на почву различных видов обработки почвы 197
3.3. Требования к технологии возделывания полевых культур 202
3.4. К выбору технологии возделывания культур в степной зоне 203
3.5. К обоснованию внедрения технологии прямого посева в степной зоне 210
3.6. Севооборот при технологии прямого посева 214
3.7. Длительность применения технологии прямого посева 222
Выводы 226
Глава 4. Разработка энергосберегающих способов и технических средств для основной и предпосевной обработки почвы 227
4.1. Требования к процессу обработки почвы 227
4.2. Способ поверхностной обработки почвы 227
4.2.1. Вибрационные колебания в почвенном слое 231
4.2.2. Вибрирующий рабочий орган культиватора 240
4.2.3. К обоснованию параметров вибрирующего рабочего органа .244
4.3. Способ основной обработки почвы 252
4.3.1. Комбинированный рабочий орган для основной обработки почвы 253
4.4. Механика воздействия рабочего органа на почву 255
4.4.1. Подрезание почвенного пласта плоскорежущим лемехом 258
4.4.2. Перемещение конического винта в почвенном слое 266
Выводы 279
Глава 5. Оценка результатов исследований 280
5.1. Экономическая эффективность технологии прямого посева 280
5.2. Агротехническая и энергетическая оценка рабочих органов
5.2.1. Вибрирующая культиваторная лапа 286
5.2.2. Комбинированный рабочий орган 289
5.2.3. Технико - экономический уровень рабочих органов 294
5.3. Рекомендации по внедрению ресурсосберегающих технологии возделывания сельскохозяйственных культур 299
5.4. Система машин в ресурсосберегающих технологиях возделывания сельскохозяйственных культур 306
Общие выводы 309
Список литературы
- Современные способы обработки почвы и рабочие органы
- Почва в свете квантовой механики
- К обоснованию внедрения технологии прямого посева в степной зоне
- Комбинированный рабочий орган
Введение к работе
Актуальность проблемы. В технологии возделывания сельскохозяйственных культур особое место по энергоемкости (до 25%) занимает обработка почвы. Она же определяет и энергоемкость всей технологии возделываемой культуры, а в совокупности с другими факторами является одной из причин целого ряда негативных последствий механизации (снижения урожайности полей, повышенной плотности почв, усиления эрозионных процессов и т.д.) и возникновения проблемы почвосбережения.
Обработка почвы выполняется различными рабочими органами, а в основе существующих способов основной и поверхностной обработки почвы и рабочих органов для их реализации лежит механическое воздействие на почву сжатием.
К настоящему времени накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал по обработке почвы, однако качественных изменений в принципе воздействия на почву и в конструкциях рабочих органов для их реализации не происходит. Хотя еще основоположник земледельческой механики академик В.П. Горячкин говорил о необходимости иных методов и приемов воздействия на почву для снижения энергоемкости ее обработки и сохранения плодородия почвы.
Причиной сложившегося положения является то, что земледельческой механике присущ упрощенный подход к почве: при рассмотрении почвы как объекта технологического воздействия изучение и учет структуры, состава, свойств и других характеристик почвы проводится на уровне почвенных частиц размером 10-1 …10-2 см, что для ее развития явно недостаточно. На этом уровне даже такие легко обнаруживаемые механические свойства, как внутреннее трение, вязкость, пластичность, проявляются не в полной мере, так как они формируются составом почвы, в том числе и коллоидным.
Следовательно, изыскание новых способов и приемов воздействия на почву с учетом многообразия её свойств, потенциально содержащих возможные направления снижения затрат энергии на обработку, и разработка на этой основе менее энергоемких процессов и технических средств основной и поверхностной обработки почвы, сохраняющих её плодородие, является актуальной научной проблемой.
Цель исследования – снижение энергетических затрат на обработку почвы при сохранении её плодородия за счет научно обоснованной минимизации обработок и применения нетрадиционных видов деформации и приемов воздействия на обрабатываемый пласт почвы.
Объект исследования – динамические процессы, формирующие почвенную структуру в естественных природных условиях; технологические процессы поверхностной и основной обработки почвы и реализующих их технических средств.
Предмет исследования – закономерности техногенного воздействия на почву, определяющие возможности снижения энергетических затрат на её обработку, сохранение структуры и плодородия.
Методы исследования. Общей методологической основой исследований явились методы и приемы диалектического познания изучаемой проблемы: анализ и синтез, моделирование, эксперимент, гипотеза, наблюдение, индукция и дедукция.
Теоретические исследования выполнены на базе методологических положений классической механики, механики твердого тела, квантовой механики, кинетической теории и других отраслей науки.
Экспериментальные исследования и обработка полученных данных выполнены с использованием методов планирования экспериментов, математической статистики и пакета прикладных программ на ПЭВМ.
Сущность научной проблемы заключается в отсутствии теоретической основы техногенного воздействия на почву как сложную систему материальных частиц с учетом позиций механики тел, квантовой механики, кинетической теории и других отраслей науки, выявления на этой основе возможностей снижения энергетических затрат на обработку почвы, разработки и обоснования новых технико-технологических решений для их реализации.
Научная гипотеза. Поскольку почва является материальным телом, к ней кроме сжатия и сдвига, требующих больших энергетических затрат при разрушении (крошении), применимы и другие виды деформации. В почве происходят естественные физико-механические процессы, восстанавливающие ее структуру, за счет чего ей присуще рыхлое состояние. Предполагается за счет выявления и теоретического обоснования механизма саморазрыхления почвы определить возможные пути снижения техногенного воздействия на почву, что в итоге обеспечит снижение энергоемкости ее обработки.
Исследования выполнены в соответствии с межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001…2005 гг. «Научные основы формирования и функционирования эффективного агропромышленного производства» по направлению 02.01. «Разработать новое поколение экологически безопасных ресурсосберегающих машинных технологий и создать комплекс конкурентоспособных технических средств для устойчивого производства приоритетных групп сельскохозяйственной продукции для растениеводства».
Научную новизну представляет совокупность положений, определяющих механико-технологические основы снижения энергоемкости обработки почвы:
– положения о почве как объекте технологического воздействия применительно к земледельческой механике: гипотеза о наличии в составе почвы четвертой, плазменной фазы - фазы почвенного раствора; положение о свободной и связанной воде как форме существования почвенной воды; положение о наличии в почвенном слое фононного газа, осуществляющего перенос тепла и влаги; механизм саморазрыхления почвы;
– положения о характере процессов, обеспечивающих возможности разработки новых принципов и технических средств технологического воздействия на почву: реологическая модель почвы; расчеты тепловой энергии в почвенных слоях; положение о структурной вязкости почвы; величина энергии крошения почвы; удельная поверхность почвенных частиц как агротехнический показатель ее структуры; уравнение тягового сопротивления рабочего органа;
– теоретическое обоснование применения нетрадиционных принципов воздействия на почву: растяжения, вибрации; обработки почвы без механического воздействия на нее рабочими органами (интенсификация процессов разрыхления почвы за счет перевода связанной воды в категорию свободной воды и т.п.); переменной или комбинированной форм и геометрий поверхностей рабочих органов;
– уровень технологического воздействия на почву при подготовке к возделыванию зерновых культур в степной зоне;
– конструктивно-технологические схемы и параметры рабочих органов для поверхностной и основной обработки почвы на принципах растяжения и вибрации.
Новизна технических и технологических решений защищена двумя патентами на изобретения.
Практическая значимость. Результаты выполненных исследований могут служить практической базой для разработки новых принципов и технических средств обработки почвы в земледельческой механике. Обосновано возделывание зерновых культур по технологии прямого посева в условиях степной зоны, что позволяет снизить топливно-энергетические затраты на 29…38% по сравнению с традиционной технологией, повысить урожайность зерновых на 3…4 ц/га и снизить расход топлива на 4…5 кг/га. Разработаны рабочие органы для поверхностной обработки почвы, снижающие энергетические затраты на 16% по сравнению с серийными культиваторными лапами, и комбинированный рабочий орган для основной обработки почвы, обеспечивающий снижение энергетических затрат на 15% по сравнению с плугом.
Реализация результатов исследования. Материалы исследований, представленные в виде рекомендаций производству, одобрены научно-техническим советом Комитета сельхозмашиностроения Уральского региона. Рекомендации по возделыванию зерновых культур приняты к внедрению Министерством сельского хозяйства Челябинской области РФ и Департаментом сельского хозяйства Акмолинской области Республики Казахстан и используются в хозяйствах Брединского и Варненского районов Челябинской области, в хозяйствах Северного Казахстана. При проведении прямых посевов по этим рекомендациям только на весенних работах расход топлива снизился на 4…5 кг/га, а урожайность повысилась на 2…4 ц/га по сравнению с традиционными посевами. Комбинированный рабочий орган апробирован на вспашке поля в фермерском хозяйстве «Салават Юлаев», его применение снизило расход топлива на 2…2,5 кг/га по сравнению со вспашкой плугом. Расчеты по определению параметров пружинной стойки культиваторной лапы приняты к применению в ЗАО ИПП «Техартком». Результаты исследований использованы при разработке комбинированного почвообрабатывающего посевного агрегата ППАБМ – 14,7. Материалы исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».
На защиту выносятся:
– процесс саморазрыхления почвы и его механизм как совокупный результат проявления сил межмолекулярного взаимодействия почвенных частиц, взаимодействия составляющих почву фаз, воздействия почвенной биоты и окружающей среды, позволяющие сокращать количество технологических воздействий на почву;
– положение о наличии в почвенном слое фононного газа, осуществляющего перенос тепла и влаги, обладающего энергией, энтропией;
– гипотеза о наличии в составе почвы четвертой, плазменной фазы - фазы почвенного раствора;
– удельная поверхность почвенных частиц как агротехнический показатель ее структуры;
– теоретическое обоснование применения энергетической теории разрушения почвы, величина энергии крошения почвы;
– реологическая модель почвы;
– положение о структурной вязкости почвы;
– уравнение тягового сопротивления рабочего органа;
– теоретическое обоснование применения нетрадиционных принципов воздействия на почву: растяжения, вибрации; обработки почвы без механического воздействия на нее рабочими органами; переменной или комбинированной форм и геометрий поверхностей рабочих органов;
– уровень технологического воздействия на почву при подготовке к возделыванию зерновых культур в степной зоне;
– конструктивно-технологические схемы и параметры рабочих органов для поверхностной и основной обработки почвы.
Апробация результатов исследования. Материалы исследований обсуждены и одобрены на международных научно-практических конференциях Челябинского ГАУ (1996-2006 гг.), ГНУ СибИМЭ (2011г.), на научно-производственном совете департамента сельского хозяйства Акмолинской области и ТОО «СТ Агро» Республики Казахстан (2006, 2007 гг.), на расширенном ученом совете кафедры «Сельскохозяйственные машины» Башкирского ГАУ (2009 г.).
Публикация. По материалам исследований опубликовано 24 научные работы, получено два патента на изобретения. Общий объем публикаций составляет 22,3 п.л., из них авторских – 22,0 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 223 наименований и приложений. Работа изложена на 328 страницах основного текста, включает в себя 65 таблиц, 98 рисунков и 31 приложение.
Современные способы обработки почвы и рабочие органы
Из рисунка видно, что уменьшение объема порового пространства в слоях 10...30 см составило 9... 11%. То есть, значительно уменьшилась скважность почвы, ухудшился почвенный режим и т.д., что привело к ухудшению условий жизнедеятельности корневой системы полевых культур и что, в конечном счете, имеет следствием снижение урожайности этих культур.
При уплотнении почвы упругие и пластические деформации агрегатов в совокупности с их взаимным смещением вытесняют из почвенных пор воду и воздух, что ухудшает режимы функционирования почвенной системы.
К тому же, в результате воздействия на почву МТА, повышается ее плотность и твердость, уменьшается содержание крупных пор, что приводит к снижению ее водо- и воздухопроницаемости.
Под влиянием ходовых систем машинно-тракторных агрегатов меняется не только объем порового пространства, но и его структура [8] (табл. 1.3).
Почва имела следующий гранулометрический состав: 1 ...0,1 мм 20%; 0,1...0,02 мм 48%; 0,02 мм 32%; 0,002 мм 6%. Влажность менялась в пределах 15,3...25,5%. Изучались варианты уплотнения почвы движителями трактора массой 3700 кг. Макропорами являлись поры со средним диаметром 30 мкм и более. Поры ниже размерами были отнесены к мезо- и микропорам.
Данные таблицы показывают, что в основном резко уменьшаются по всем слоям содержание макропор, которые имеют решающее значение в функционировании почвенной системы, посредством их создаются водный и воздушный режимы. Мезо- микропоры являются внутренними порами структурных отдельностей.
Таким образом, мы привели данные об отрицательных последствиях воздействия ходовых систем тракторов на почву при интенсивных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур.
Негативно воздействуют на почву и сельскохозяйственные машины и орудия при многократных их проходах по полю. Почвенный пласт во множестве раз подвергается рыхлению, перемещению, истиранию, перемешиванию и т.д. Все это сопровождается измельчением почвенных комков и частиц, снижением доли макроагрегатов, повышением содержание мелких и мельчайших структурных элементов и т.д. И все это приводит к повышению плотности почвы и уменьшению в ней объема порового пространства. При бороновании почва подвергается меньшим механическим воздействиям по сравнению с другими орудиями. В опытах А.П.Красинского установлено количество структурных элементов при многократном бороновании [9] (табл. 1.4). Как видно из таблицы, при многократном бороновании произошло общее измельчение почвенной структуры. Коэффициент структурности уменьшился на 0,1%. Количество частиц размерами более 10 мм по вариантам глубины слоя, по сравнению с однократными боронованием и культивацией сократилось соответственно на 7 и 9%. Таблица 1.4 Количество структурных элементов в пахотном слое при различном числе бороновании (в процентах)
В поверхностном слое увеличилось количество эрозионно - опасных частиц (0,1.. .0,5 мм) на более 7%. Наблюдается некоторое увеличение пыли. - Таким образом, выводом из вышеизложенного будет то, что при традиционной технологии возделывания сельскохозяйственных культур неизбежным является переуплотнение почвы, приводящее к снижению продуктивности полей. Этому способствует ослабление в переуплотненной почве и других факторов структурообразования.
Структурообразование в почве при ее увлажнении и высыхании. Процессы увлажнения и высыхания происходят в почве непрерывно, особенно интенсивные в самом верхнем слое. Они сопровождаются набуханием и усадки почвенных слоев. Объемные изменения, возникающие в ходе этих процессов, ведут к образованию трещин и структурных отдельностей. Характер прохождения последних, наряду с другими условиями, определяется механическим составом почвы и ее плотностью. Почвы, с преобладающим содержанием мелких и пылеватых фракции и переуплотненные, теряют способность к набуханию. Согласно данным исследователей, последействие разового переуплотнения почвы сохраняется в течение 2...3 лет [10]. Последующие рыхления почвы не устраняют полностью негативные последствия уплотнения, т.к. они не в состоянии восстановить утраченную при смятии структуры пористость почвенных макро- и микроагрегатов [11]. Потеря способности почвы к разуплотнению и самовосстановлению означает потерю ею способности к набуханию, которая является важнейшим условием первых. Следовательно, процессы структурообразования при этом будут ослаблены.
Структурообразование в почве в результате процессов ее промерзания и оттаивания. При промерзании почвы ее жидкая фаза, вода переходит в лед, в кристаллическое состояние. Увеличение объема воды при этом ведет к разрыву связей между почвенными частицами и микроагрегатами, обуславливая появления сети трещин. При оттаивании они способствуют образованию структурных отдельностей.
В переуплотненных почвах пористость низкая, особенно капиллярная. Объем воды в таких почвах мал, поэтому мал и объем образующегося льда и его влияние на объемные деформации незначительно. При промораживании образуются почвенные монолиты, которые весной трудно оттаиваются.
Структурообразующее действие корневых систем растений. Многочисленные исследования [9] установили, что расчленение почвы на макроагрегаты идет под влиянием корневых систем растений. Чем мощнее развита корневая система, тем она более пронизывает почвенный пласт, тем меньше остается нерасчлененных почвенных комков и глыб и тем меньше пылеватой фракции и тем выше коэффициент структурности.
Почва в свете квантовой механики
Контакты между почвенными частицами осуществляются через пленки жидкости 2. Виды этой пленки в зависимости от ее толщины подробно рассмотрены и описаны исследователями. Надо полагать, что термоактивационные процессы происходят как с частицами, так и в молекулярной структуре жидкой пленки.
Кристаллические решетки твердых тел имеют дефекты в виде «дырок», дислокации. Такие же «дырки» имеет и структура жидкости - в виде пустот, не занятых молекулой, размеры которых соизмеримы с размерами этих молекул. Из-за теплового хаотического движения молекул жидкости эти пустоты спонтанно расширяются и закрываются, появляясь в различных местах, тем самым, усиливая колебательное движение частиц вокруг положения равновесия. Таким образом, происходит еще большее усиление колебательного движения почвенных частиц за счет совместного действия фононов и движения молекул жидкости. При превышении величины совместных усилий над величиной энергии связи между почвенными частицами происходит их разрыв. Таков механизм саморазрыхления почвы. Интенсивность разрыхления зависит от толщины жидкостной пленки между частицами; интенсивность разрыхления поверхностных слоев выше, чем в более глубоких слоях. Это происходит оттого, что поверхностные слои подвергаются более интенсивному воздействию окружающей среды.
Поглощение фононов рассмотрено в [49] через коэффициент поглощения упругой волны [50]. Поглощение фононов в дилатоне характеризуется скоростью притока энергии V+ = 2rMaKCs, (2.23) где Гмакс - максимальное поглощение упругих волн, « —; G 2а термодинамичесий коэффициент Грюнайзена; є - относительная деформация объема; а - межатомное расстояние, м; s - скорость звука, м/с. По приближениям Дебая, фононы имеют одинаковую групповую скорость, равную скорости звука.
Поглощенная энергия фононов оказывает наибольшее воздействие на связь между частицами, усиливая колебательное движения частиц около положения равновесия и побуждая их к преодолению энергетического барьера. Релаксированная энергия рассеивается в слое. Эти энергии в каждый момент времени изменяют вероятность состояния почвенной системы, т.е. ее энтропию. Термодинамическим условием прочности является уравнение И.И.Гольденблата и А.Ф.Чудновского [44] AS (Тр) = AS (2.24) где AS - приращение плотности энтропии, Дж/моль; тр - длительность разрушения, с; SKp - критическое приращение плотности, Дж/моль. Согласно этому условию разрушение наступает при достижении приращением плотности энтропии некоторого критическго значения.
Очевидно, что критическим значением прироста энтропии является то значение, при котором внутрення энергия будет равна или больше значения внутренней энергии связи молекул - Uo- Тогда (AQ/T)KP = и0. (2.25) При отсутствии механической нагрузки формула длительной прочности имеет вид Т = Техр кт (2.26) Подставим (2.25) в это выражение: г = г0, 3. (2.27) кТ Для установления энергии связи рассмотрим минеральный состав почвенного «скелета». Доминирующей минеральной основой являются кремнезем, глинозем, окислы металлов. Минеральную основу черноземов составляет монтмориллонитовая группа, с химическим составом MgO-Al203-4Si02-H20-nH20. Целостность минеральной структуры обеспечивается химической, водородной и Ван-дер-ваальсовыми силами. Прочность связей, кДж/моль, меняется в пределах: химическая - 80...800; водородная - 10...40; ван-дер-ваальсовая - 2...20 [51]. Из всех глинистых минералов в монтмориллонитах связь является наиболее слабой (толщина о кристаллического пакета составляет 14,2 А), и они легко набухают. Для расчета примем минимальные значения указанных внутримолекулярных сил. Энергия связи ориентировочно Uo « 100 кДж/моль. Для сравнения приведем величины энергии активации других веществ, кДж/моль: вода «16,76-103; пластмассы - (29,3...58,6)-103; лед - (83,8...117,3)-103; грунты -(96,4... 167,6)-10 ; металл - 209,5; бетон - 226,3; мерзлый грунт -(377,1. ..398,1)-103.
Так как, моль есть единица количества вещества, то для приведения в соответствие с постоянной Больцмана, энергию связи частиц необходимо поделить на постоянную Авогадро. Период тепловых колебаний атомов в пределах небольших изменений температур принимают т0 = 10" с [52]. Длительность разрыва почвенных частиц (разрыхления) 100-Ю3 1,38-10"23 -Г 8,314-Г При Т =300К т = 10"13 е40 = 23,5-104 с = 6,5 ч, то есть при температурах, примерно равных комнатной, длительность разрыва почвенных частиц черноземов составляет 6,5 ч. Другой группой глинистых минералов являются каолиниты. Химический состав Al203-2Si02-2H20. Толщина кристаллического пакета составляет 7,2. Прочность связей, кДж/моль: химическая 160, водородная 20 и ван-дер-ваальсова 4. Аналогичными расчетами получена длительность разрыхления тяжелосуглинистых почв при тех же условиях, равная 14 часам. Величина разрывного напряжения с учетом термофлуктуационных процессов накопления разрывов межчастичных связей в зависимости от температуры и времени имеет вид [53]
К обоснованию внедрения технологии прямого посева в степной зоне
Вид изотерм определяется не только гидрофильностью поверхности, но и составом водного раствора, которые влияют на электростатические, структурные силы и молекулярные. Устойчивость толстых р - пленок определяется, в основном, электростатическими силами, изменение концентрации и состава водного раствора, влияющие на электрические потенциалы поверхности пленки, сказывается на виде изотерм Рд (h). При повышении концентрации электролита и снижении рН уменьшаются силы электростатического отталкивания, что приводит к сдвигу изотермы в сторону изотермы 3. Разрушение особой структуры граничных слоев начинается при концентрации электролита более 10" моль/л.
Из приведенного выше видна идентичность сил взаимодействия частиц и изотермы расклинивающего давления смачивающих пленок. Следовательно, характер взаимодействия между частицами формируется смачивающими пленками на их поверхностях. Формирование этих пленок, их свойств происходит под влиянием поверхностей частиц, под влиянием водного раствора. Естественно предположить воздействие водного раствора, смачивающих пленок на состояние поверхностей частиц и самой частицы.
Классификация связанной воды в числе первых была дана в [91]. По ней различаются структурно связанная вода (конституционная), гигроскопическая (сорбционно связанная), капиллярная и вода осмотического впитывания. К ним исследователи добавляют и воду граничных слоев. Эта вода вместе с сорбционно и осмотически связанными водами имеют молекулярную природу. Особая структура граничных слоев и расклинивающее давление определяют кинетику тонких водных прослоек и смачивающих пленок.
Ранее было отмечено изменение температуры почвенных слоев по глубине и по горизонтали. Очевидно такие же перепады температуры возникают и в граничных слоях. Граничные слои являются структурно измененными по сравнению с объемной водой, поэтому теплосодержание процессов переноса в них будут различными. На изменение удельной энтальпии АН(х) (где х толщина прослойки) связанной воды указывалось в [92]. Это вызывает термоосмотическое течение воды в тонких порах и пленке. Течение воды в прослойке под действием перепада давления АР поэтому сопровождается выделением (или поглощением )тепла на входе в прослойку и обратным тепловым эффектом на выходе из нее. Количество выделяемого тепла в единицу времени пропорционально скорости течения. Для прослойки толщиной h переносимое тепло составит где г)(х) - локальная скорость течения, м/с; а - коэффициент теплопереноса, Вт/м К, характеризует скорость термоосмоса.
Установлено, что эффект термоосмоса исчезает при толщине граничного слоя с измененными свойствами равной нулю, т.е. АН = 0. В зависимости от знака АН термоосмос направлен в холодную или горячую сторону.
Повышение температуры приводит к постепенному снижению термоосмотического течения из - за снижений различий в структуре граничной и объемной воды.
В граничных слоях происходят изменение вязкости и диэлектрической проницаемости, которые влияют и на электрокинетические явления в капиллярах и порах. Из - за различий в потенциалах граничной и объемной воды возникает эффект электроосмотического течения.
Явление капиллярного осмоса [93] состоит в том, что жидкость в порах и капиллярах перемещается под действием градиента концентрации раствора. Причиной капиллярного осмоса служит диффузность адсорбционных слоев растворенного компонента. Увлечение потоком жидкости подвижной части диффузных слоев с повышенной или пониженной концентрацией растворенного вещества приводит к возникновению градиента концентрации. Это обуславливает течение жидкости под действием перепада концентрации.
В пленках воды на поверхности частиц наблюдается и пленочное течение. Причиной служит неуравновешенность расклинивающего давления в смачивающих пленках внешним давлением. Это порождает градиент толщины пленки и ее течение. Различные случаи этого течения определяется видом изотерм расклинивающего давления в пленках.
Таким образом, в пористых телах осуществляются множество видов течения различных форм воды. Вследствие этого вода проникает во всю структуру твердой фазы, пронизывает ее. Свойства воды и кинетика ее переноса в капиллярно-пористых телах отличаются большим разнообразием и зависят как от состава водного раствора, так и от свойств твердых поверхностей. В свою очередь, перечисленные процессы переноса (течения) влияют на качество и характеристики твердых поверхностей.
Почва является капиллярно-пористым телом. Доминирующей минеральной основой являются кремнезем, глинозем, окислы металлов. В частности, минеральной основой черноземов служит монтмориллонитовая группа. Эта группа имеет слоистость с расширяющейся структурной ячейкой, межслоевые промежутки которой заполняются ступенчато. Этот процесс адсорбции сопровождается выделением теплоты (табл. 2.4)
Комбинированный рабочий орган
На уровне макро- и микроагрегатов получаем последовательно соединенные тело Лесерсича и тело Кельвина - Фойгта. Последняя квадратная скобка уравнения представляет собой уровень элементарных почвенных частиц. В ней тело Сен-Венана последовательно соединяется с параллельно расположенными телами Сен-Венана и Гука.
Механическая модель, показывающая деформацию и изменение состояния вещества под влиянием внешних воздействий, будет реологической моделью вещества. Вязкость, упругость и пластичность определяются консистенцией и состоянием почвы, зависящих от ее влажности. А.Д.Воронин исследовал состояние воды в почвах термодинамическим путем и установил различие реологических моделей в зависимости от ее содержания. Капиллярно-сорбционный потенциал в зависимости от влажности почвы имеет вид [140] V, = -V w,-wa (2.93) где ціж - влажность первого адсорбционного слоя, %; Wj - влажность почвы, при которой определяется ції, %; Wa - влажность адсорбированного слоя, %; (Wm)e - влажность внешней поверхности адсорбционного слоя, %; п -постоянная.
Он разработал расчетно - экспериментальный метод определения кривых водоудерживающей способности почв, показал на них области перехода воды из одной категории в другую (пленочная, капиллярная и др.) и их связь со структурно - функциональными свойствами почвы. По этой кривой можно установить границы влажности, оптимальные для агрегирования и механической обработки почвы.
Из приведенного следует, что изменения в состоянии почвенного слоя и деформации в нем происходят и под влиянием внутренних воздействий. Выше было показан суточный ход температуры почвенных слоев, вследствие которого в них возникает тепловой поток, вырабатывается тепловая энергия. Эта энергия вызывает перемены в состоянии всех фаз почвы, которые на механической модели отображаются соответствующими элементами. Поэтому приведенная модель (рис. 2.30) будет реологической моделью почвы в естественном состоянии, без внешних воздействий. По этой модели видно, что в почве и без механической обработки происходит деформация почвенной структуры, вследствие изменений свойств на каждом уровне.
Рассмотрим напряжения и деформации, возникающие в почвенной структуре под механическим воздействием на нее. Основным принципом работы почвообрабатывающих машин и орудий является принцип сжатия. В начальный период сжатия силой Р (рис. 2.33) происходит сближение макроагрегатов и выдавливание рыхлосвязанной почвенной влаги и почвенного воздуха из пор и пустот между ними, что отражается вязким элементом N . Хотя непосредственное воздействие оказывается на твердую фазу, напряжения возникают в газовой и жидкой фазах. После того, как макроагрегаты сомкнутся между собой, начинается уплотнение структуры, происходит иммобилизация влаги, содержащейся в ней, и капиллярной влаги из пор, проявляется вязкость Ni. Упругость Н] обуславливается упругостями газовой и твердой фаз. Полное выдавливание рыхлосвязанной воды между макроагрегатами и влаги из их структур соответствует переходу деформации на следующую, нижнюю ступень.
Дальнейшее уплотнение происходит на уровне микроагрегатов. Здесь происходит вытеснение капиллярной и пленочной влаги между микроагрегатами, вязкость этого уровня отражается элементом N2. Упругость
Н2 обеспечивается упругостью микроагрегатов. Все большее сжатие микроагрегатов ведет к выдавливанию жидкой фазы из них, обеспечивая контакт между частицами, составляющими микроагрегат. Здесь происходит частичная иммобилизация пленочной влаги, порождающая сухое трение. Как установлено, элемент сухого трения служит моделью для описания поведения тела Сен - Венана. Поэтому на этом участке для отображения явления применен элемент StV1. На уровне элементарных частиц продолжается выдавливание пленочной влаги с их поверхностей, осуществляется переход на адсорбционную влагу. Как известно [67], адсорбционно связанная вода обладает повышенной плотностью и свойствами упругого тела, элемент Нз. Элементарная почвенная частица, обладающая абсолютной твердостью, при достижении напряжением некоторого предела, пластически течет, что отражается элементом пластичности StV3. Адсорбционный слой обладает большой сдвиговой прочностью, что может привести к хрупкому разрушению частиц.
Механизм релаксации напряжений и постепенное рассеивание упругой потенциальной энергии, очевидно, объясняется следующим образом. При действии внешней нагрузки дисперсионная почвенная система течет, упругие частицы деформируются, сжимаясь или растягиваясь. При снятии же нагрузки течение прекращается, частицы восстанавливают свою форму и внутренние напряжения в системе исчезают. Этот процесс, вследствие вязкого сопротивления происходит во времени, т.е. характеризуется временем релаксации. Напряжения от одной частицы к другой передаются через почвенную влагу в различных формах.
