Введение к работе
Актуальность проблемы. С расширением области применения машин, в том числе в сельском хозяйстве, ускоряется процесс экологической разболансированностн среди обитания человека.
Воздействие машин на почву способствует развитию эрозионных процессов; Применение тяжелых энергонасыщенных тракторов и комбайнов ускорило формирование уплотненного слоя в почвенном горізонте. Его существование-одна из причин повышения затрат на возделывание сельскохозяйственных культур: тяговое сопротивление возросло в среднем на 25$ по следу гусеничных и на 40$ по следу колесных. Существенное превышение указанного уровня создают автомобили и прицепы.
Чрезмерное уплотнение почв в большинстве-зон ведет к снижении их плодородия. Для его поддержания требуются повышенные дозы химических удобрений, что негативно влияет на микробиологические процессы и качество сельскохозяйственной продукции.
Значительный объем экспериментальных исследований, выполненный как в СССР, так и за рубежом! подтвердил существование проблемы, но не раскрыл внутренних, аналитических связей в системе машина-почва-растеїше.
Одной из причиц,создавшегося положения служит отставание в развитии теории земледельческой механики в части механики почв.
До настоящего времени для описания реакции почвы на действие опорно-ходовой части машин используются положения механики грунтов, 'базирующейся на теориисплошной среды. Поэтому, при теоретических исследованиях системы машина-агроценоз почваніред-ставляется в виде сплошной, кваэи-, а чаще, изотропной, 'однородной среды,
В таких исследованиях-не находится места основным оценкам,
присущим только почве: влахность.пориотость, соотношение между
, її
объемом влаги, газа и скелета» А именно они определяют во многом плодородные свойства почвы.
В соответствии с теорией сплошной среды мехаїшческие напряжения распространяются в полупространстве на бесконечные расстояния. Поэтому понятие о глубине распространения деформации заменено понятием "граница сжимаемой толщи". "Граница..."-изолиния, на которой давление равно определенной доле естественного, грунтового.
Если для однородных, несвязных грунтов в условиях строите-ства фундаментов это положение устраивает строительную практику, тоатШблъзовать аппарат механики грунтов для почвенного слоя, тесно связанного с температурой и влажностью, возможно лноь в отдельных случаях.
Мезду тем, вопрос о глубине распространения деформаций в почвенном слое-клрчевой вопрос механики почв и расчетной практики; его решение в аналитической форме откраваётдействительную связь между характеристикой деформатора, нагрузкой и параметрами состояния почвы.
Некорректность применения полонений механики грунтов в исследовании системы деформатор-почва подтверждается и тем, что для самой механики грунтов до настоящего времени остается только интуитивно объяснимым бифуркационный характер зависимости деформации (осадки) от размера штампа. Минимум деформации имеет место для грунтов средней плотности под штампом в виде квадрата или круга площадью 0,25м. ; при меньшей площади характер зависимости противоположен.получаемому по теории сплошной ореды.
Земледельческая механика в основном имеет дело именно с
2 малыми штампами, близкими к площади 0,25 м. , где связь мекду
площадью нагрузки а деформацией имеет неустойчивый характер.
Для объективных исследований системы деформатор-почва необходима теоретическая основа механики почв, базирующейся на модели, отражающей не только физико-механические свойства, но я плодородие почвы.
Оче»идно,что только физичеокая модель почьы позволит представить ь аналитическое форме естественные ссязи маэду характеристикой деаоргатора и параметрам*! оостояішя почвы после воздействия штампа. Решение этой задачи означает решение проблемы защиты почвь от ьоздействия ходовой части машин, сохранения условий для восироизі одства плодородия и еуществоіания агроценозе.
Именно в этом и заключается проблема.
Актуальность решения задачи рбусловлена тем, что в нем находит оц.аяение связь мемду характеристикой колесной машины и параметрами состояния почвы,что позволяет учитывать влияние машины на экологическую среду какой является почва.
В предотавленной работе на основе взаимодействия элементарных комплексных частиц, образующих объем гидрофизической модели почвы,дано описание распределения нагрузки как'по глубине,так а в зоне контакта о жестким,плоским штампом; в качестве основных овойств почвенного полупространства приняты:анизотропия,неоднородность .диозипация энергии. С учетом указанных свойотв получена аналитическая форма'зависимости-глубида погружения1штампа и зоны раопроотршения деформаций от нагрузки и состояния почвы,
.Для исследования оиотёмы почва-штамп использован закон сохранения энергии для сложных, незамкнутых неконсервативных оиотем. Доследующий переход от указанной системы к новой-почва-шша осуществлен с выполнением условия энергетической эквивалентности,, т.е. равенства затрет энергии .на деформации почвы.
Описание связей в система шина-почва позволило оценить оте-
пень соответствия существующих конструкции" колесных тракторов почвеино-экологнческим требованиям.
На основе аналитических связей мезду нагрузкой, ее площадью и деформацией почвн определено понятие о действительном коэффициенте полезного действия системы почва-машинный агрегат. В свою очередь, это послужило основой для описания принципа согласования состава парка машин с параметрами состояния почвы, изменяющимися в течение вегетационного периода развития растений.
С учетом свойства почвы повышать прочность в результате сжатия, разработана эколого-энергетическая концепция оптимальной колесной фэрмулы; ее создашш и практическое использование на полях должно существенно замедлить процесс ызшшшой деградации гочг.
Определение связей между характеристикой дєформатора и реакцией почвы создало предпосылки для дополнения существующей модели агроценоза новым блоком- технологическим.
Работа выполнена е 'соответствии с планом дсследовазпій Нс-вочеркасского шкенерно-мелиоратнвпсго института но совершенствованию технологических процессов б мелиорация земгль (раздел ІО.ОІі п.5).
Цель работы-научное обоснование параметров колесних машин и порядка их использования с учетом зколого-экснонических условий сохранения и воспроизводства плодородия почв.
Объект псследованпя-незамкнутые, неконсервативные системы:
почва-штамп, почва-шина,'
Методика исследований. Основной метод-теоретический с использованием экспериментального для проверки отдельных гипотез.
.Приоритетность теоретического метода обусловлена особенностью положения, сложившегося в области земледельческой механики. Б течение ряда десятилетий научными подразделениями проводятся
экспериментальные иселедовашія системи почва-штамп, что привело к накоплении экспериментальных материалов. Однако, ввиду их "противоречивости" оказывается невозмо.-ашм сформулировать обобщающие выводы и установить качественные и количественные ха-ракгернстшш контакта ходовой части машин и почвы. Трудность решения задачи на основе экспериментальных данных обусловлена недостатком иніїоршции о состоянии почвы и о размерах зоны распространения деформаций.
Поэтому в предлагаемой работе основным прішят' теоретический метод.Для проверки математической модели системы почва-штамп и синтеза тягового усилия использовался полевой експеримент.
Научная новизна выполненного-иселедовашія состоит в представлении почвы в виде неконсервативной, гидрофизической, поли-дисперсиой энергетической системы, используемой в качестве базы для аналитического описания состояния локального объема почвенного полупространства до и после деформации штампом.
Состоятше почвенного полупространства описывается посредством таких щенок как влажность, коэффициенты пористости, внутреннего и внешнего трения, а таїске сцепления, плйтоссть н соотношение газа, влаги и поверхности-абразивних.частац, образующих агрегатные цепи,
Лредлолшшая модель обладает свойством/ плодородия а реакцией на подвод дли отвод энергии, путем изменена! прочности сцепления и скорости прогрева.
Математическое описание модели позволяет рассчитать глубину зоны деформаций и закон распределения контактных реактивных сил,
На основе закона сохранения энергии выполнен переход'от сиотеми почва-штамп к новой системе почва-шина, что дало возмо::-:--
ность обнаружить зависимость параметров состояния почвы от веса маишш и площади контакта колеса с почвой.
На той яе основе определены положение центра давлешія un-ни и характер зависимости параметров качения от сочетания характеристик контактирующих тел.
Отличием от известных подходов в исследовании системи де-форматор-почва является учет способности почвы поешішть прочность на разрыв з результате скатня.Возможность учета возникла при рассмотрении межмолекулярных сил в переходном слое.
Кроме отмеченного, в работе представлены та:ше понятия
как коэффициент полезного действия системы почва-машшный агрегат, иное толкование термина "почвенное полупространство"; использованы такие понятия: свободная агрегатная цепь, шша в глубине полупространства.
Коэффициент полезного действия системы агрегат машин-поч-ва наряду с энергетическими, отражает и экологическое соответствие машин.
Б целом, совокупность полученных результатов исследования предстваляют собой альтернативу механике грунтов, а по своей сути-это отдельный фрагмент теоретической ме:*зш:ки почв-статика
Практическая значимость результатов исследований состоит в следующем. Полученные математические модели могут использоваться для расчета сцепного веса машин и характеристик ее колес на базе исходных данных о почве с учетом экологических и агротехнических требований, а твкце уровня развития конструкций почвообрабатывающих органов.
Аналитическая связь меиду параметрш состояния почвы и ха рактеристикой колесной маишш определяет порядок пспользовашш
wjuuh в зависимости от периода года,а также ранхшрование машин-пил агрегатов по массе в технологической цепи. На ней не основана методика экологической экспертизы проекта машшы или серийно шпускаемоіі. На базе полученных моделей составлена характеристика онтпмилыюй килеспоі'і формули машины для сельского хозяйства," радикальним образом изменяется методика раочета весовых и энергетических показателей мобильной машины.
Реализация результатов исследований.Разработан и испытан ком-бшшровашшіі двшштелъ, который, кроме колес имеет пластины,пе-редащпе часть веса трактора на почву и воспринимающие горизон-тальпув реакции почвы (а.с.М09477в,кл.А).
Результаты исследований олужат основой методика экологической экспертизы проекта машины{ материал вклсчен в типоьую программу по дисциплине "Тракторы и автомобили" для факультетов механизации мелиоративных работ; с 1991г. читается курс лекций по программе. Часть материалов использована в учебнике по эксплуатации машинно-тракторного парка для факультетов механизации сельского хозяйства (н.п испанском языке).
Основы 'і зорпи совместимости и методики расчета параметров экологически безопасных машин приняты для использования в работе ШИПТИЫЭСХ, ШСХШ, ПО 'ТОСТСЕЛЬШС
Апсобация.МатесиальрдиссеЕтации докладывались ежегодно в период о 1984 по 1991г на научных конференциях факультета механизации мелиоратпвішх работ Новочеркасского инженерно-мелиоративного института и двавды в Гаванском сельскохозяйственном институте. Результаты исследований представлены :т Всесоюзной конференции по механизации мелиоративных работ (Новочеркасок,1990г.){ ебоуг-вдены иа объединенном заседании Совета отраслевого научного.
(
комплекса по гидротехішке и мелиорации ЙАСХІПІЛ, президиума и бюро отделения сельскохозяйственных паук СМЩви, па конференции "Повышение эффективности использования водных ресурсов Северного Кавказа" (Новочеркасск, 1988г), на Международной конференции по механизации сельского хозяйства (Гавана, 1985), на заседании кафедры сельскохозяйственных машин РІІСХГ.Та, на объединенном заседании кафедр факультета механизации мелиоративных работ (Псковского гидго-мелиоративного института.
Публикация.По теме диссертации опубликовано22 печатшх работ, в том числе один учебник объемом 498с. (соавтор-GOc); одна шнография-П4с, авторское свидетельство. Общий объем публикаций составил более 46 у.п.л.
Результаты исследовашШ изложены в рукописшх научных отчетах по госбюджетной тематике кафедры тракторов и автомобилей и кафедры мелиоративных и строительных машин НИШ.
В работе использованы материалы собственных исследований и обобщєшій автора; весьма малую часть объема занимают результаты, полученные совместно с ассистентом Д.А. Челебиевым под руководством автора.
Структура, и обг0м диоое.тоташш. Работа состоит из введения, бооьш глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем-296 с. в том числе 250 с. основного текста, 17 рисунков, 3 таблицы: список использованной литературы включает 210 наименований: приложения на 46 страницах.
