Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы и основные задачи исследования 13
1.1 Физико-технологические свойства почв 13
1.2 Классификация почвообрабатывающих машин и их сравнительный анализ 16
1.3 Методы повышения эффективности обработки почвы 24
1.4 Проблемы управления качеством обработки почвы 33
1.5 Постановка проблемы, цель и задачи исследований 44
2 Основные положения общей теории технологического воздействия рабочих органов на почву 48
2.1 Почва как объект воздействия рабочих органов почвообрабатывающих машин 48
2.2 Общая схема модели механики деформации и разрушения почвенной средыи критерии ее оценки 58
2.2.1 Основные принципы построения модели почвенной среды 58
2.2.2 Структурная схема модели деформации и разрушения почвенной среды 62
2.2.3 Критерии оценки функционирования модели 68
2.3 Общие аспекты механики почвенной среды 70
2.3.1 Напряженно-деформированное состояние почвы 70
2.3.2 Перемещения и деформации почвенных элементов 79
Выводы по главе 87
3 Модель процесса взаимодействия рабочих органов с почвой 88
3.1 Физический процесс деформации и разрушения почвы 88
3.2 Реологическая модель почвенной среды 96
3.2.1 Определение начальных и граничных условий реологической модели 97
3.2.2 Многофазность почвенной среды 98
3.2.3 Изменение плотности почвенной среды 100
3.3 Реализация реологического уравнения почвенной среды 105
3.4 Обоснование применения методов подобия и размерностей при моделировании процесса обработки почвы 108
3.5 Физическая интерпретация критериев подобия применительно к почвообработке 117
Выводы по главе 119
4 STRONG Исследование напряженно-деформированного состояния почвенной среды в процессе
взаимодействия с рабочими органами почвообрабатывающих маши STRONG 121
4.1 Деформация и крошение почвы в сельскохозяйственной практике . 121
4.2 Оценка изменения плотности почвы при воздействии нагрузки 124
4.3 Распределение напряжений в почве при воздействии рабочих органов 133
4.4 Распределение напряжений на поверхности рабочих органов 138
4.5 Оценка изменения плотности почвы по расчетному распределению напряжений 142
Выводы по главе 165
5 Обоснование параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин для повышения качества работы 167
5.1 Обоснование параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин для основной обработки почвы 167
5.1.1 Обоснование параметров рабочих органов лемешных плугов 168
5.1.2 Обоснование параметров рабочих органов дисковых плугов... 190
5.1.3 Исследование агротехнических показателей работы дискового плуга 194
5.2 Обоснование параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин для поверхностной обработки 200
5.2.1 Обоснование параметров рабочих органов дискового культиватора 200
5.2.2 Обеспечение заданного уровня показателей качества обработки почвы 214
5.3 Обоснование параметров стрельчатых рабочих органов 222
Выводы по главе 229
6 Внедрение результатов исследований и их технико-экономическая оценка 233
6.1 Разработанные машины, их характеристики, внедрение и эффективность 233
6.2 Рекомендуемая методика разработки и создания новых почвообрабатывающих машин 244
6.3 Экономическая эффективность использования разработанных машин 247
Выводы и рекомендации 257
Список литературы 260
Приложения 285
- Проблемы управления качеством обработки почвы
- Напряженно-деформированное состояние почвы
- Обоснование применения методов подобия и размерностей при моделировании процесса обработки почвы
- Оценка изменения плотности почвы при воздействии нагрузки
Введение к работе
Получение высоких и стабильных урожаев выращиваемых культур является первостепенной задачей сельскохозяйственного производства. Общая мировая тенденция производства продуктов питания показывает, что прирост продовольственных ресурсов происходит за счет интенсификации земледелия и повышения плодородия почв.
Одним из способов повышения урожайности сельскохозяйственных культур является внедрение новых, научно обоснованных технологий обработки почвы с использованием высокопроизводительной универсальной почвообрабатывающей техники с рабочими органами, обеспечивающими заданные показатели качества выполнения технологического процесса. При этом основной целью агротехнических мероприятий является создание условий для сохранения и повышения продуктивности почвы как важнейшего компонента экосистемы «почва - растение - воздух». Этой же цели служит механическая обработка почвы как основное средство изменения ее свойств и достижения с точки зрения агротехники качества выполнения технологических операций, при которых получается максимальный эффект - урожайность.
Качество выполнения технологического процесса обработки зависит от типа и физико-механических свойств почвы, рельефа поля, типа и параметров рабочих органов. Свойства почвы изменяются в зависимости от погодных условий, смены культур севооборота, внесения в почву минеральных и органических удобрений и т.д. Эти изменения также влияют на показатели качества выполнения технологического процесса обработки почвы.
Следствием изменения свойств почвы на различных участках поля и во времени является широкое варьирование показателей качества выполнения технологических операций почвообработки. Исследованиями Подскребко М.Д. [193] установлено, что при основной обработке почвы плугами общего назначения в период ее физической спелости в среднем 20% обработанной площади поля удовлетворяют требованиям агротехники по степени крошения.
Для достижения показателей качества, удовлетворяющих агротехническим требованиям по всему полю, конструктивные параметры рабочих органов почвообрабатывающих машин должны обеспечивать возможность изменения степени воздействия на почву и управления процессом работы.
В комплексе работ, направленных на решение задач повышения качества обработки почвы, большое значение имеют теоретические исследования технологических процессов обработки почвы рабочими органами. Именно от степени соответствия рабочих органов их назначению зависят качество работы машин, их производительность и энергоемкость процесса. Благодаря созданию теоретической модели процесса взаимодействия рабочих органов с почвой обеспечивается возможность разработки направлений совершенствования и обоснования конструктивных параметров рабочих органов и устройств для достижения требуемых показателей качества выполнения технологического процесса в зависимости от исходного состояния почвы.
Важным условием развития теории почвообработки являются фундаментальные исследования процессов взаимодействия рабочих органов и орудий с почвой. Следует признать приоритетным направлением изыскание и определение закономерностей деформации, разрушения и перемещения почвы. В результате исследований последних лет стало очевидным, что физическое понимание и математическое описание деформации и разрушения почвы открывают перспективы создания математических, технологических и других моделей теории почвообработки. Первостепенное значение при этом имеет описание процесса воздействия рабочих органов на почву, а также разрушения, перемещения и перемешивания структур почвенной среды.
Реальная почва представляет собой дисперсную среду, состоящую из твердой, жидкой и газообразной фаз. В зависимости от их соотношений почва может иметь свойства вязких, пластичных, упругих и хрупких тел. От свойств почвы и способа воздействия рабочего органа зависит вид напряженно-деформированного состояния. Отсюда вытекает задача создания такого на-
пряженно-деформированного состояния почвы, при котором реализовывалось бы качественное выполнение технологических операций обработки почвы с минимальными затратами. Комплекс таких задач может быть решен при совместном использовании достижений в смежных областях науки: физики почв, механики разрушения тел, гидромеханики и т.д. При этом появляется возможность определять общность и различие подходов к проблеме разработки основных принципов построения модели разрушения почвы, ее физико-механических и математических основ. В связи с этим повышение качества обработки почвы путем совершенствования рабочих органов машин на основе моделирования технологического процесса является актуальной проблемой, составляющей основу данного исследования.
Цель работы: Обеспечить заданный уровень показателей качества выполнения технологического процесса обработки почвы путем совершенствования и обоснования параметров рабочих органов машин на основе моделирования процесса их взаимодействия с почвой с учетом изменяющихся ее свойств.
Объектом исследования служит технологический процесс взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих машин с почвой.
Предмет исследования состоит в выявлении закономерностей влияния конструктивных и технологических параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин на показатели качества выполнения технологического процесса обработки почвы.
Научная новизна исследований состоит в том, что разработана общая схема модели процесса воздействия рабочих органов на почву с учетом ее многофазной структуры и изменения свойств в процессе деформации; обоснованы критерии оценки и получены аналитические зависимости для определения конструктивных параметров рабочих органов, которые позволяют обеспечить заданные показатели качества выполнения технологического процесса обработки почвы; разработана модель процесса воздействия рабочих органов
на почву в виде системы уравнений состояния и изменения плотности почвенного пласта в процессе обработки; разработана адаптированная к задачам почвообработки реализация конечно-разностного метода, позволяющая моделировать и визуализировать процесс деформации и перемещения почвы, а также исследовать явления, происходящие внутри массива; установлены характеры изменения и распределения напряжений в почве, в процессе воздействия на нее различными типами рабочих органов и движения почвы по рабочей поверхности; установлены зависимости изменения плотности почвы от уровня ее напряженного состояния, характеризующие процесс уплотнения и рыхления почвы рабочими органами в процессе обработки; впервые разработаны рабочие органы к орудиям для основной и поверхностной обработки, позволяющие получить требуемые показатели качества выполнения технологического процесса в зависимости от состояния почвы; разработаны методы расчета рациональных параметров рабочих органов для получения заданных показателей качества выполнения технологического процесса обработки почвы в зависимости от ее исходного состояния.
Новизна технических решений защищена одним патентом на изобретение и тремя патентами на полезную модель.
Практическая ценность работы и исследований состоит в разработке методики расчета на ЭВМ энергетических и агротехнических показателей процесса взаимодействия рабочих органов с почвой, которая выступает как составная часть САПР почвообрабатывающих машин и позволяет на стадии проектирования обосновать параметры рабочих органов для обеспечения заданных показателей качества выполнения технологического процесса обработки почвы в зависимости от ее состояния. Такие рабочие органы способствуют повышению агротехнических и энергетических показателей работы по сравнению с серийными орудиями, качества обработки почвы и увеличению урожайности возделываемых культур.
Реализация научно-технических результатов. На основе исследова-
ний составлены исходные требования и технические задания на разработку и создание рабочих органов стерневой сеялки СС-6 в ЗАО «Стерлитамакская машиностроительная компания», сеялки-культиватора СКС-6Л и оборотного плуга ПО-4В в ОАО «Туймазинский завод автобетоновозов», лемешно-роторного плуга ПЛР-2 в ОАО «Башсельмаш».
Результаты исследований по обоснованию параметров рабочих органов использованы при освоении производства сеялок СС-6 (ЗАО «Стерлитамакская машиностроительная компания»), плугов ПН-4С, ПН-5С (Стерлитамак-ское РТП).
В творческом сотрудничестве с ЗАО ИПП «ТехАртКом» (г. Челябинск) разработаны комбинированные почвообрабатывающе-посевные агрегаты ППА-5,4, ППА-7,2, ППА-14,7 с усовершенствованными рабочими органами, в сотрудничестве с ООО «Варнаагромаш» - рабочие органы дискаторов и плугов ПН-4-3 5.
Методы расчета и проектирования рабочих органов почвообрабатывающих машин переданы в ЗАО ИПП «ТехАртКом», ЗАО «Стерлитамакская машиностроительная компания» и 000 «Варнаагромаш».
Результаты исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» и ФГОУ ВПО «Челябинский государственный агроинженерный университет».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Башкирского ГАУ (1993-2002 гг.), Челябинского ГАУ (1993-2007 гг.), Башкирского НИИСХ (1995-96 гг.), международной научно-практической конференции, посвященной памяти акад. В.П. Горячкина "(Москва, 1998 г.), международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса регионов России» (Уфа 2002 г.), международной научно-практической конференции «Перспективы развития производства продовольственных ресурсов и рынка продуктов питания» (Уфа 2002 г.)
Публикации. Результаты исследований отражены в 35 научных работах, в том числе 11 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК, получен один патент на изобретение и три патента на полезную модель. Общий объем публикаций составляет 45,65 п.л., из них авторских -19 п.л.
Первая глава «Современное состояние проблемы и основные задачи исследования» посвящена анализу состояния и перспектив развития обработки почвы, качества выполнения технологических операций рабочими органами почвообрабатывающих машин. Здесь рассмотрены общие методы повышения эффективности почвообработки, раскрыты проблемы обеспечения требуемых показателей качества выполнения технологических операций и пути их решения. На основе этого сформулирована научная проблема, выдвинута гипотеза, определены цель и задачи работы.
Во второй главе «Основные положения общей теории технологического воздействия рабочих органов на почву» рассмотрены физико-механические основы перемещения, деформации и разрушения почвенных элементов, базирующиеся на общих аспектах механики почв. Обоснованы принципы построения модели разрушения почвы.
В третьей главе «Модель процесса взаимодействия рабочих органов с почвой» показана последовательность реализации модели взаимодействия рабочих органов с почвой; полученные результаты согласованы с общими идеями физики процесса деформирования и разрушения почв, сформулированными на основании теоретических и лабораторных исследований; исследованы вопросы деформирования и разрушения почвенных сред применительно к обработке почвы; определены начальные и граничные условия для численного решения уравнений динамики почвы с учетом изменения её плотности в процессе взаимодействия с рабочим органом; обоснованы условия использования методов подобия и размерностей применительно к технологическим процессам обработки почвы и получены необходимые и достаточные критерии подобия.
В четвертой главе «Исследование напряженно-деформированного состояния почвенной среды в процессе взаимодействия с рабочими органами почвообрабатывающих машин» изложены результаты моделирования технологического процесса взаимодействия рабочих органов с почвой. На основе теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости изменения плотности почвы в процессе обработки от уровня напряженно-деформированного состояния, а также получена система уравнений динамики почвенной среды с учетом изменения плотности почвы.
В пятой главе «Обоснование параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин для повышения качества работы» освещены вопросы разработки и совершенствования рабочих органов почвообрабатывающих машин для повышения качества их работы. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию конструктивных схем и параметров рабочих органов для основной (дисковые и лемешные плуги) и поверхностной обработки (культиваторы, окучники).
В шестой главе «Внедрение результатов исследований и их технико-экономическая оценка» даны технические характеристики разработанных машин и приводятся результаты производственных испытаний дискового культиватора-окучника, сведения об их внедрении в производство и оценка экономической эффективности разработанных рабочих органов и машин.
Работа выполнена в Башкирском государственном аграрном университете согласно тематическим планам научно-исследовательских работ и в соответствии с программой «Программа по производству, ремонту и обслуживанию сельскохозяйственной техники на предприятиях Республики Башкортостан и организация системы мониторинга ее состояния на 2001-2003 годы» и в Челябинском государственном агроинженерном университете согласно межведомственной координационной программе о фундаментальных и приоритетных прикладных исследованиях по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001...2005 гг. «Науч-
ные основы формирования и функционирования эффективного агропромышленного производства» по направлению 02.01 «Разработать новое поколение экологически безопасных ресурсосберегающих машинных технологий и создать комплекс конкурентосйособных технических средств для устойчивого производства приоритетных групп сельскохозяйственной продукции длядэас-тениеводства», где Челябинский государственный агроинженерный университет является исполнителем.
Надеемся, что поднятые в настоящей работе проблемы и пути их решения будут способствовать дальнейшему прогрессу теории почвообработки и служить основой для создания САПР почвообрабатывающих машин.
Проблемы управления качеством обработки почвы
Известно, что основной задачей обработки почвы является изменение ее состояния путем перевода физико-механических свойств из исходного состояния в требуемое. Процесс перевода осуществляется посредством простого механического воздействия на почву какого-либо рабочего органа, представ 33 ляющего собой твердое тело, перемещающееся в почве и нарушающее ее начальную структуру. Так как результатом обработки является неравновесное состояние почвы, то в любом случае обработка почвы - это процесс подвода к ней некоторого количества энергии с целью изменения ее свойств и достижения с точки зрения агротехнической науки оптимального сложения, при котором получается максимальный эффект (например, урожайность культур). Одной из важнейших задач обработки, которая должна учитываться в первую очередь, является регулирование сложения и строения пахотного слоя. Современная агрономическая наука требует создания гетерогенного сложения пахотного горизонта. На дерново-подзолистых суглинистых почвах оптимальная плотность для картофеля складывается при объемной массе в слое 0-6 см-0,85... 1,0 г/см , в слое 6-12 см- 1,0...1,15 г/см , в слое 12-18 см - 1,05...1,25 г/см3 и в слое 18-24 см- 1,10...1,35 г/см3 [104]. Для картофеля и кормовых корнеплодов главной задачей обработки почвы, наряду с созданием благоприятных условий для ускоренного развития клубней, является обеспечение механизированного (комбайнового) способа уборки [62,77]. Это требует поддержания почвы в рыхлом состоянии, исключения ее излишнего уплотнения рабочими и ходовыми органами машин. При повышении объемной массы почвы с 1,1 до 1,4 г/см3 снижение урожайности картофеля составляет 50...100 ц/га [112]. Зерновые культуры также реагируют на изменение плотности почвы. Они быстро растут и развиваются при оптимальной плотности и испытывают явное угнетение при более высокой и низкой. Данные многих исследователей показывают, что увеличение или уменьшение объемной массы почвы от оптимальной на 0,1...0,3 г/см3 приводит к снижению урожайности на 20...45% [116,118,209].
Оптимальные значения объемной массы почв для различных сельскохозяйственных культур приведены в таблице 1.3 [209]. Таблица 1.3 - Оптимальная объемная масса почвы для некоторых сельскохозяйственных культур, г/см Тип почвы Яровая пшеница, Кукуруза Картофель Сахарная свек овес, ячмень ла Серая лесная тяжелосугли- нистая 1,2-1,3 1,1-1,2 1,0-1,2 1,0-1,2 Чернозем выщелоченный гяжелосуглинистый 1,2-1,25 - 1,0-1,15 1,1-1,3 Чернозем обыкновенный гяжелосуглинистый 1,1-1,2 1,2-1,3 0,85-1,0 Чернозем карбонатный тя- желосуглинистый 1,2-1,3 1,2-1,3 - Чернозем южный тяжело- суглинистый 1,1-1,2 1,05-1,2 - Дерново-подзолистая суг- линистая 1,2-1,4 1,1-1,2 1,0-1,1 1,2-1,4 Дерново-подзолистая су- . песчаная 1,3 1,1-1,4 Сравнивая естественную объемную массу почвы с оптимальной можно определить рациональный способ обработки и степень воздействия на почву. Для почвообрабатывающих орудий, поддерживающих систему оперативного управления качеством работы (СОУКР), можно определить такое положение рабочих органов, при котором будет обеспечено требуемое качество обработки.
С точки зрения образования структуры почвы в процессе почвообработ-ки, наилучшими свойствами обладают агрономически ценные агрегаты размером от 0,5 до 3,0 мм [104]. Согласно ГОСТ 26244-84 «Обработка почвы предпосевная» обработанный слой должен быть разрыхленным и мелкокомковатым. В обработанном слое допускаются комки с наибольшим диаметром до 2,5 см в количестве не более 80%, а диаметром 5... 10 см - не более 10%. На поверхности не допускается наличие комков и камней размером более 10 см по наибольшей стороне или диаметру, т.к. это ведет к ухудшению условий для роста и развития сельскохозяйственных культур.
Наряду с этим следует учитывать возможность перемещения по полю технических средств после подготовки почвы к посеву. При определении качественных показателей для оценки результатов обработки необходимо принимать во внимание почвенные и погодные условия в данной местности. Рабочие органы почвообрабатывающих машин в процессе работы кроме рыхления вызывают и уплотнение некоторого объема почвы, и образование переуплотненных глыб и дна борозды. После обработки на поле образуется большое количество глыб, требующих дополнительного крошения. Только на последующее устранение уплотнения глыб почвы почвообрабатывающими орудиями при дальнейшем их разрушении орудиями дополнительной обработки в стране ежегодно расходуется до 3-4 млрд. кВт-ч энергии [118]. В основу работы многих рабочих органов почвообрабатывающих машин положен принцип сжатия клином, при котором почва уплотняется до тех пор, пока не будет преодолен предел ее прочности, затем протекает процесс скольжения комковато-глыбистой части пласта по отвалу и оборачивание его без должного рыхления. В результате в глыбах увеличивается объем сплошной капиллярной порозности, а сложение их формирует излишний объем некапиллярной скважности, что усиливает испарение почвенной влаги.
Последующие после основной обработки почвы приемы разрушения уплотненных глыб и комьев приводят к созданию мелкокомковатой структуры, состоящей из обломков глыб и комьев, имеющих более высокую плотность агрегатов (обломков глыб и комьев), чем до обработки. Это приводит к тому, что после усадки равновесная плотность почвы увеличивается. Увеличение равновесной плотности в результате интенсивного ведения земледелия отмечается в работах В.А. Ковды, В.В.Медведева, А.А.Семенова, Е.Р.Андреева, А.С.Кушнарева и др.
Напряженно-деформированное состояние почвы
В общем случае обработка почвы означает, что на почву действует сила с поверхности рабочего органа почвообрабатывающей машины. При воздействии рабочих органов и ходовых систем на почву происходит сближение или удаление частиц друг от друга, обусловленное силовым взаимодействием между ними. Для описания этого взаимодействия используется силовая характеристика, называемая напряжением. Определение напряжений в почвенном массиве имеет особо важное зна чение для оценки тягово-сцепных и агротехнических свойств проходимости, деформаций почвы и глубины колеи, износа рабочих органов и выявления за кономерностей изменения структурного состава почвы [6,8,55,60,72,107,120,145,186,215,244,248]. Рассмотрим процесс взаимодействия" рабочего органа почвообрабатывающей машины с почвенной средой. При обработке почвы со стороны рабочего органа на нее действуют определенные силы: силы тяжести, инерции, адгезии, давления, силы внутреннего трения, сцепления. В динамике сплошных сред эти силы разделяют на два класса: объемные (массовые) и поверхност 71 ные. Под объемными силами понимаются силы, действующие на элементы объема, как, например, силы тяжести, инерции. К поверхностным относятся силы, которые при принятом в механике сплошных сред макроскопическом подходе действуют на элементы поверхности, ограничивающей объем, как, например, силы давления, силы внутреннего трения, адгезии и сцепления. Следует отметить, что эта классификация сил условна, так как механика Ньютона знает лишь силы, приложенные к массам, т.е. только объемные силы. Но при допущении, что частицы, на которых сосредоточено действие сил, расположены в столь тонком слое, что можно без большой погрешности свести этот слой к «некоторой поверхности», можно считать, что силы действуют на элементы этой поверхности.
В отличие от динамики дискретных точек, в динамике сплошных сред имеют дело не с самими силами, а с плотностями их распределения в пространстве [129]. Так, под плотностью распределения объемных сил F в данной точке С среды понимается предел отношения главного вектора AR сил, приложенных к точкам малого объема AV, заключающего в себе точку С, к массе: Am=pAV, где р- некоторое среднее значение плотности в объеме AV, когда объем А V стремится к нулю, сохраняя внутри себя точку С, т.е. п ,. АД 1 .. АД 1 SR F = lim — = — lim — = . "Ат p AV p5V Отсюда следует, что обычная ньютоновская сила 5R, приложенная к элементарному объему 8Уъ точке С, определяется через объемную силу F как 5R = pF-5V. Аналогично поверхностные силы задаются вектором напряжения Л "А т 5s где ф7 - главный вектор сил, приложенных со стороны среды к выделенной в ней малой площадке As, Sp и 5s - предельные значения. Вектор ф поверхностной силы, приложенной к площадке 5s в данной точке пространства, согласно приведенной формуле имеет вид ф = p-5s. Основное отличие между векторами F и р заключается в том, что вектор F является однозначной векторной функцией точек пространства и времени, т.е. образует векторное поле, а вектор р принимает в каждой точке пространства бесчисленное множество значений в зависимости от ориентации площадки, к которой приложено напряжение, и, таким образом, векторного поля не образует.
Прилагаемое к почве усилие вызывает реакцию с ее стороны (рисунок 2.3). Для определения удельного сопротивления почвы в точке А поверхности рабочего органа рассмотрим небольшой участок dS вокруг точки А, где сумма сил F . Соотношение зависит от положения и величины dS: при dS расположении dS выше или ниже на рабочем органе полученные значения будут разными. Если для однозначности результата принять, что dS сводится к точке (dS- 0), то удельное сопротивление почвы на поверхности рабочего органа в точке А определится следующим образом: Y F limZ _i_ = 7. (2.8) «s-o ds Величина а называется напряжением на поверхности рабочего органа в точке А. Определение значений а по всей поверхности на глубине обработки дает эпюру напряжений. При работе почвообрабатывающих орудий и движителей напряжения возникают не только в точках контакта рабочего органа с почвой, но, как показывают опыты, распространяются вглубь и вширь от области контакта на 0,6-1,0 м, что ведет к деформированию как пахотного, так и подпахотного слоя. Поэтому законмерен интерес к определению напряжений в точках почвенного массива. Выберем некоторую точку С рассматриваемого полупро 73 странства (рисунок 2.3). Проведем через точку С плоскость // . В окрестности точки С возьмем площадку dL, принадлежащую плоскости // , на которую действует сумма сил Pjf Vp - Г \ Л Wv —ччч ччч ччч ччч ч\\ ччч ччч ччч ччч Рисунок 2.3 - Напряженное состояние почвенного пласта Согласно формуле (2.8) напряжение, действующее на площадку dL: YPw _ lim — = j,. я-ю dL Величина cr, зависит от направления плоскости /. Если, например, вместо плоскости / выбрать другую плоскость т, то на эту плоскость будет действовать напряжение ат отличное от а,. Очевидно, что т, тт. Через точку С можно провести бесконечное множество различных плоскостей, следовательно, получить такое же количество действующих на эту точку напряжений. Значит, такой подход применительно к почвенной среденельзя использовать при определении напряжений, ибо ни число, ни вектор а не могут однозначно характеризовать напряженное состояние точки С.
Обоснование применения методов подобия и размерностей при моделировании процесса обработки почвы
При изучении процесса взаимодействия почвообрабатывающего рабочего органа с почвой на модели сплошной среды возникают задачи перехода к реальным свойствам почвы, таким как твердость, плотность, вязкость, с учетом реальных сил, возникающих в зоне деформации (тяжести, инерции, давления, трения и т д.). Условия подобия позволяют моделировать явления, т.е. проводить опыты не с натуральными объектами, а с их моделями, которые являются физическим подобием натуральных объектов, причем проводить так, чтобы характер протекания процесса и получаемый эффект опытов с моделями были такими же, как в опытах с натуральными объектами. По утверждению B.C. Казакова [86], потоки частиц почвы и сплошной среды кинематически подобны. Поэтому для установления влияния сил и свойств среды на деформацию, движению частиц можно применять методы подобия и размерностей. Метод подобия весьма плодотворен при изучении не только гидродинамических, но и многих других физических и технических вопросов. Прежде всего следует отметить прямое назначение этого метода как научного обоснования приемов моделирования действительных, «натурных» процессов в лабораторных условиях. Метод подобия позволяет устанавливать требования, которые следует предъявлять к лабораторной модели и проведению на ней исследуемого процесса, для того чтобы результаты моделирования могли быть использованы для проектирования реальных объектов. Кроме того, обработка лабораторных измерений и обобщение их результатов в виде эмпири 109 ческих формул также ведутся согласно указаниям метода подобия. На этом чисто прикладное значение метода подобия далеко не исчерпывает общую его ценность. Вот уже много лет, метод подобия используется и при теоретическом изучении явлений как-способ предсказания внутренней структуры переменных и параметров, входящих в выводимые из теории аналитические соотношения, а иногда даже и самой формы этих соотношений. Подобие обтеканий тел несжимаемой среды обеспечивается простым геометрическим подобием обтекаемых тел и их подобным расположением относительно набегающих на них потоков в сравниваемых течениях (равенством углов атаки и других углов, определяющих положение тела относительно набегающего на него однородного потока). Пространственные обтекания геометрически подобных тел, подобно размещенных в однородных потоках несжимаемых сред с различными скоростями, подобны.
Перейдем к рассмотрению условий подобия двух потоков ньютоновских вязких несжимаемых сред с различными, но постоянными плотностями и вяз-костями. Следуя только что указанному приему сравнения безразмерных дифференциальных уравнений и соответствующих им граничных и начальных условий, приведем уравнения (3.24) к безразмерному виду, выбрав в качестве масштабов времени, длин (в частности, координат), скоростей, давлений и объемных сил соответственно некоторые характерные для потока постоянные величины: Т, L, V, Р, F.
Уравнения (3.28) представляют собой безразмерные уравнения динамики вязкой несжимаемой жидкости. К этим уравнениям присоединяют соответ 111 ствующие данной конкретной задаче безразмерные начальные и граничные условия, а в ряде случаев и другае условия единственности решений системы уравнений. Предположим, что два в общем случае нестационарных потока ньютоновской вязкой несжимаемой среды подобны между собой. Тогда, по предыдущему, безразмерные начальные, граничные и другие условия единственности так же, как и сами безразмерные уравнения (3.27), должны быть одинаковыми для обоих сравниваемых между собою движений. Но по предположению о существовании подобия, все безразмерные, обозначенные штрихами переменные в сходственных точках потоков одинаковы, следовательно, для совпадения дифференциальных уравнений остается потребовать, чтобы были одинаковыми числа подобия, Перечисленные условия подобия, включая последнюю систему равенств, являются необходимыми условиями подобия. Трудности стоят на пути выяснения достаточных условий подобия. Эти трудности связаны с тем обстоятельством, что для строгого установления достаточных условий подобия должна быть в широком аспекте граничных условий доказана теорема о существовании и единственности решений системы уравнений (3.25). Большое разнообразие неизбежно встающих перед практикой задач не позволяет считать вопрос об установлении достаточных условий подобия движений вязкой несжимаемой среды исчерпанным. Условимся среди чисел подобия (3.30) особо выделять составленные только из тех масштабов сравниваемых потоков и физических констант среды, которые содержатся в постановке задачи об определении движения, т. е. заданы наперед. Одинаковость таких чисел подобия обусловливает подобие двух сравниваемых сред, поэтому сами числа могут быть названы критериями подобия. Критериев подобия меньше, чем чисел подобия для соответствующего класса сред, так как не все масштабные величины, введенные при составлении 112 безразмерных уравнений и граничных и начальных условий, на самом деле могут быть заданы до расчетов. Значения некоторых из них определяются только после того, как будет получено единственное решение данной конкретной задачи. Отсюда следует, что число достаточных условий, представленных системой равенств вида (3.30), будет меньше общего числа необходимых условий, а оставшиеся после выделения критериев подобия числа подобия окажутся выраженными через критерии подобия. При рассмотрении экспериментальных картин взаимодействия рабочего органа со средой [40,41], можно заметить, что оно не является стационарным: в передней части рыхлителя то с одной, то с другой стороны его поверхности срываются вихреобразные массы подторможенной рабочим органом среды, создавая в потоке колебания с частотой, зависящей от скорости потока, его вязкости и диаметра цилиндра, точнее, от числа Рейнольдса. Такие колебания рыхлительной лапы в потоке постоянной скорости, происходящие за счет внутренних явлений, приводящих к только что отмеченным отрывам масс почвы от поверхности рабочего органа, относятся к числу автоколебаний. Их можно наблюдать на всевозможных рабочих органах с пружинными стойками. Возникая в среде, эти периодические процессы вызывают вибрации тел, погруженных в среду.
Оценка изменения плотности почвы при воздействии нагрузки
При обработке почвы плужными корпусами в зоне упругих и пластических деформаций грунт подвергается, как это было установлено выше, сжатию. Следовательно, характер протекания процесса деформации и изменения объемной массы в этой зоне во многом зависит от сжимаемости почвы. Для выяснения влияния основных характеристик сжимаемости почвы на изменение объемной массы нами проведены лабораторные исследования по определению уп-лотняемости почвенных образцов. В опытах на осевое сжатие почвенный образец в жестком цилиндре уплотняется перемещающимся вниз поршнем при непрерывной регистрации напряжения на поршне и объема почвенного образца (рисунок 4.1). Воздействие нагрузки на поршень осуществлялась линейно по времени на испытательном стенде. Основным и общим недостатком практически всех приборов одномерного уплотнения является невозможность полного устранения сил трения, возникающих между образцом и стенками цилиндра. Силы трения приводят к снижению величины внешней нагрузки, передаваемой на образец, возникновению неоднородного напряженного состояния и физической неоднородности в почве, которая выражается в уменьшении ее плотности как по направлению действия нагрузки (сверху вниз), так и от центра к боковым поверхностям. Наиболее приемлемой мерой снижения упомянутого выше трения является выбор соотношения между диаметром и высотой образца. Если почва рыхлая, высота образца в процессе опыта существенно уменьшается. На всех этапах испытания высота образца не должна быть слишком большой по отношению к его диаметру. В противном случае из-за трения между почвой и стенкой цилиндра напряжение, измеренное на поршне, будет значительно больше фактического напряжения, вызывающего уплотнение. Кроме этого для уменьшения трения между почвой и поверхностью цилиндра его стенки подвергались шлифовке. Во время испытаний необходимо также свести к минимуму трение между поршнем и стенкой цилиндра. Для этого поршень должен иметь коническую форму.
В результате экспериментов установлено, что деформация почвы от нагрузки - достаточно быстротекущий процесс. Объемные изменения почвы в образцах, подвергаемых одноосному сжатию, происходят преимущественно в первые секунды с момента давления. Изменение физических свойств почвы от уплотнения проявляется в росте объемной массы, понижении общей пористости, воздухоемкости и воздухопроницаемости, в изменении влагоемкости, а также в росте сопротивления и связности [115]. В опытах изменение коэффициента пористости определялось по формуле [238] Зависимость коэффициента пористости от величины внешней нагрузки, соответствующей условию сжатия почвы рабочими органами пассивного действия, характеризуется компрессионными кривыми (рисунок 4.2). Используя компрессионные зависимости суглинка и супеси, определяли коэффициент уплотнения почв в области давлений от 12 до 17 Н/см для суг-линка и от 8 до 13 Н/см для супеси. Коэффициент уплотнения определяется по формуле Испытания на быстрое уплотнение, например испытание на быстрое осевое сжатие, дают кривые, связывающие степень уплотнения почвенного образца с величиной напряжения Т/. Подобные кривые могут быть описаны математически, наиболее известны логарифмические, гиперболические и экспоненциальные зависимости. Достоверной линией тренда, описывающей результаты данных экспериментов является логарифмическая зависимость (рисунок 4.3).
