ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 6, 2014
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
УДК 631.316.22
© 2014 г. Пындак В.И., Новиков А.Е.
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ МАШИН И ОРУДИЙ ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ОБРАБОТКИ
ПОЧВОГРУНТОВ
ФГБОУВПО Волгоградский государственный аграрный университет, г. Волгоград
При воздействии на подпахотный горизонт почвогрунтов происходит блокированное резание — без выноса почвенной стружки на дневную поверхность. Вокруг долота орудия комья почвы сжимаются за счет воздуха (модуль упругости возрастает до 40 МПа), и формируются ударные сверхзвуковые волны, которые распространяются под углами естественного откоса («45°) и разуплотняют почву.
Разуплотнение и рекультивация земель сельскохозяйственного назначения невозможны без воздействия на глубокие — подпахотные или "материнские" — горизонты почвогрунтов. Экскавационные работы также сопровождаются переработкой переуплотненных грунтов. Энергоемкость подобных технологических операций возрастает. В растениеводстве, к примеру, на основную (зяблевую) обработку почв расходуется до 30% моторного топлива. Но глубокая обработка необходима для улучшения структуры, водно-воздушного режима и микробиологической активности почв.
Обычно почвогрунты трактуются как нелинейная вязкоупругая среда, для изучения которой — с определенной долей условности — используют некоторые механические модели поведения материалов. Известна двухэлементная реологическая модель — уравнение релаксации напряжений Дж. Максвелла [1, 2 и др.]. Но к почвогрунтам подпахотного горизонта больше подходит, на наш взгляд, трехэлементная модель вяз-коупругости (рис. 1) [3].
Уравнение такой модели имеет вид
1 дс . 1 „ д2е . де
---н-с = Т0—г + —,
Е дг п 0 Л дг
где б — деформация; п — коэффициент вязкости при продольной деформации.
Однако реальные почвогрунты имеют свои особенности — их плотность р возрастает в более глубоких горизонтах; по мере увеличения р модуль упругости E непропорционально повышается, достигая значений >10 МПа (рис. 2). Скорость распространения упругих деформаций в почвогрунтах зависит от E и р [1, 2]
Су = л/Е/Р (1)
E, МПа 10 г
8 -
6 -
4 -
Су, м/с
- 300
- 240
- 180
- 120
1,0 1,2 1,4 1,6 1,
р, г/см3
Рис. 1 Рис. 2
Рис. 2. Скорость распространения упругих деформаций и модуль упругости почвогрунтов в зависимости от их плотности
Диапазон оптимальной плотности почв в пахотном горизонте р = 1,10—1,25 г/см3 [4]. После неоднократных проходов по полю тяжелой техники многие типы почвогрунтов переуплотняются и теряют свойства релаксации. Глубина уплотнения иногда достигает 2 м, при этом р = 1,50—1,75 г/см3.
Для поддержания плодородия почвы (в сочетании с другими приемами) проводят глубокое (0,35—0,45 м) безотвальное рыхление пахотного и подпахотного горизонтов. Для этого используют чизельные машины и орудия (глубокорыхлители), прообразом которых является американская стойка Paraplow. Созданы разнообразные модификации глубокорыхлителей [2, 5—8]. Имеется тенденция увеличения глубины чизелева-ния до 0,6—0,8 м, что необходимо для восстановления солонцовых и деградированных земель.
Считается, что по мере увеличения глубины обработки (чизелевания) почвогрунтов тяговое сопротивление и энергоемкость орудий возрастают. Однако экспериментальные данные показывают снижение удельной энергоемкости новых орудий по сравнению с традиционными отвально-лемешными плугами.
Известно, что при чизелевании почвогрунтов формируется гребнистое дно борозды (рис. 3, [2, 8 и др.]). Прямая или, как показано на рис. 3, наклонная стойка 1 несет на себе сменное долото 2, которое на глубине h взаимодействует с подпахотным горизонтом. При этом впереди и по бокам долота происходит обрушение (разуплотнение) почвы под углами у и в соответственно. Установлено, что у « в « 45°, при пересечении боковых обрушений образуются гребни с углом 2 в при вершине.
Взаимодействие долота с почвогрунтом подобно деформации вязкоупругой среды посредством двугранного клина [1, 2, 6, 9]. Но при глубоком чизелевании (h > 0,35 м) происходит блокированное резание почвогрунта — без выноса почвенной стружки на дневную поверхность. В этом случае долото движется в горизонте ниже критической глубины h^ чизелевания, которая зависит от ряда факторов, в том числе от ширины В долота [2]
Нкр = (2,5-4,0)B. (2)
2Р b
Рис. 3
Рис. 3. Схемы взаимодействия чизеля с почвогрунтом Рис. 4. Распространение ударных волн в воздушной среде
A Рис. 4
Утверждается [8] например, что после йкр резко возрастает тяговое сопротивление орудия.
Почвогрунты — это почвенные агрегаты, находящиеся в среде влага-воздух-почвенная биота-частицы органики; сами агрегаты содержат влагу и воздух. По нашим представлениям, при блокированном резании (взаимодействии долота с почвой) происходит ее скоротечное сжатие за счет уменьшения объема воздуха; остальные виды деформации почвы составляют 2—10% [2].
За счет этого на фронтальной плоскости долота кардинально возрастают плотность р и модуль упругости Е почвенной стружки; мгновенное значение модуля Е суглинистой почвы может превышать 40 МПа. Округлившиеся комья стружки приобретают потенциальную энергию и, не имея "нормального" выхода, под действием сжатого воздуха срываются с долота и разлетаются вперед и по бокам под углами естественного откоса почвы, которые равны «45° (те же углы у и в, рис. 3). Такой процесс является высокочастотным.
Многие ученые, начиная с В.П. Горячкина [10], считают, что обработка почвы носит динамический характер, который сопровождается ударами рабочего органа (клина) о почву. Вследствие этого интенсифицируются процессы сжатия и сдвига и, следовательно, местного разрушения структуры почвы; это, по существу, вибрационное воздействие на вязкоупругую среду. При блокированном резании в подпахотном горизонте энергия ударов существенно возрастает, но, в отличие от традиционной пахоты, взаимодействие долота (клина) с почвогрунтом происходит опосредованно — в основном за счет циклического сжатия почвенного воздуха.
Известно [11], что при принудительном потоке газа формируется конусообразная поверхность (рис. 4), внутри которой сосредоточены возмущения (звуковые волны), исходящие из точечного источника А. При чизелевании таким источником является вибрирующая режущая кромка долота. При сверхзвуковом течении газа образуются ударные волны с обтеканием тел (в данном случае комьев и агрегатов почвы). Это явление способствует перемещению сжатых частиц почвы и их сносу (удалению) из верхней наклонной плоскости долота.
Плоский угол а между осью и образующей конуса связан с числом Маха М соотношением sin а = M \ Число Маха — основная характеристика течения газа, которое определяется как M = Cy / Сзв, где Су — скорость течения (скорость распространения ударных волн); Сзв — скорость звука в той же точке потока. Скорость звука Сзв в воздухе при температуре 20° равна 341 м/с.
Поскольку при деформации почвы мгновенные значения модуля упругости Е (на кромке долота) скачкообразно возрастают, то для расчета предельного состояния почвы принимаем экстремальные величины Е = 40 МПа, р = 1,75 г/см3 « 175 Н/м3. Тогда, согласно (1) скорость распространения ударных волн Су = 478 м/с, а число Маха
A
4 ПМ и нм, № 6
97
// к' Н
\ 1 /\ 1 1 1 . 1 / /
1 /// /// ш
ППТ-777—757
1
Рис. 5
Рис. 6
Рис. 5. Формирование конуса деформации при чизелевании
Рис. 6. Взаимодействие долота с почвогрунтом в блокированной среде
М = 1,4. Это соответствует углу конуса а « 45°. Если М > 1, то течение воздуха будет сверхзвуковым с образованием ударных волн.
При взаимодействии чизеля с подпахотным горизонтом, на вибрирующей режущей кромке долота "зарождается" конус деформации (рис. 5). В проекциях на вертикальную и фронтальную плоскости образующие конуса отображаются в виде прямых под углами у и в (рис. 3), при этом а « у ~ в. При такой интерпретации энергоэффективное обрушение и разуплотнение почвы по всем направлениям — спереди, по бокам долота и в любых плоскостях между углами у и в.
Если показатели Е и р почвы до деформации отличаются от названных, то угол а конуса может быть несколько меньше 45°. Это означает, что для данного (конкретного) горизонта угол естественного откоса имеет свое значение и упругие волны деформации по-прежнему будут протекать по плоскостям наименьшего сопротивления, т.е. совпадать с углами откоса почвогрунта. Иными словами: система чизель — недефор-мированная почва является самоадаптирующейся, и показатели Е и р достигают только тех значений, которые соответствуют свойствам почвы в подпахотном горизонте. Поэтому при глубине меньше Нкр или при обработке песчаных почв энергоэффективное чизелевание не наблюдается.
В [7] утверждается, что обоснована модель крошения почвы и самоадаптации в системе "источник энергии—рабочий орган—слой почвы" с образованием промежуточного тела из уплотненной почвы, которое непрерывно изменяется и распределяет напряжения и деформации наименее энергоемким образом. Однако в модели не объясняется происхождения "источника энергии" и отсутствуют ударные волны, которые и воздействуют на "промежуточное тело".
По нашим представлениям первичным "источником энергии" является вибрирующее долото (клин), посредствам которого в блокированной среде образуются "промежуточные тела" — фрагменты почвенной стружки, округлившиеся под действием ряда факторов, в том числе сжатого воздуха. При ударном воздействии клина на упругий почвогрунт и воздух и их сжатии образуются волны деформации первого порядка (средней частоты) — вибрации с периодом колебаний ^ = 0,07—0,1 с по [12]. При этом воздух не рассматривается в качестве рабочего тела, отсутствует блокированное резание почвы.
При блокированном резании эффекты вибрации и переуплотнения почвы на плоскости долота многократно усиливаются за счет сжатия почвенного воздуха — наиболее податливой субстанции почвогрунта (именно в этих условиях модуль упругости почвы Е > 40 МПа). Сжатый воздух становится носителем потенциальной энергии — совместно с почвенной влагой несет функции мгновенно действующего и энергоэффективного пневмогидроаккумулятора. Вви
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.