ВЫБОР ПРИНЦИПА ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЧВУ ПРИ ЕЕ

Техника и технологии агропромышленного комплекса
УДК 631.4:631.51
К.Т. Мамбеталин, канд. техн. наук
Челябинская государственная аграрная академия
ВЫБОР ПРИНЦИПА ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЧВУ
ПРИ ЕЕ ОБРАБОТКЕ
Н
аиболее энергоемкой технологической операцией в технологиях возделывания до сих пор
остается обработка почвы, на нее приходится более 25 % всех энергетических затрат.
Анализ современных способов обработки
почвы и рабочих органов показал, что в их основе лежит принцип воздействия на почву сжатием, рабочие органы преимущественно пассивного типа. Все это в совокупности является причиной повышенной энергоемкости обработки
почвы. Энергетические затраты на поверхностную и основную обработку почвы соответственно
варьируют в пределах 90…130 и 370…430 МДж/га
[1]. Энергетический эквивалент зерна составляет
6,8 МДж/кг [2]. А урожайность зерновых культур
невысокая, например, по многолетним наблюдениям автора, в степной зоне Челябинской области колеблется в пределах 10…12 ц/га, т. е. коэффициент полезного действия составляет весьма малую величину.
Для снижения энергоемкости обработка почвы должна производиться на других принципах
воздействия на почвенный пласт. Необходимы активные рабочие органы. Их формы и конструкции должны обеспечивать качество обработки почвы в соответствии с агротехническими
требованиями при наименьших тяговых сопротивлениях.
Для установления энергосберегающих принципов воздействия, способов обработки почвы обращаются к энергетическим показателям.
Расход энергии на обработку единицы объема почвы
Ауд = Pv / abv,
(1)
где Pv — работа, производимая в единицу времени (Р —
сила тяги орудия, Н; v — скорость движения агрегата,
м/с); abv — объем почвы, обрабатываемый в единицу времени (а, b — глубина и ширина обрабатываемого почвенного слоя, м).
По В.П. Горячкину, объем почвы, обрабатываемый трактором в единицу времени [3]:
⎡75 А η(В − Сv m ) − fG ⎤ v
⎦ ,
abv = ⎣
k + εvп2
(2)
где η — коэффициент работоспособности трактора
на крюке; А, В, С, m — коэффициенты работоспособности трактора; v — скорость движения трактора, м/с;
vп — скорость движения плуга, м/с; f — коэффициент
сопротивления плуга; G — масса плуга, кг; k — коэффициент деформации пласта, Н/м2; ε — скоростной коэффициент, Н·с2/м4.
В процессе обработки почвы участвуют три
составляющие: трактор как энергетическое средство; плуг как орудие и почва как объект обработки. Вырабатываемая трактором энергия в основном предназначена для обработки почвы, ее
величина зависит от ее физико-механических
свойств и состояния. В уравнении есть характеристики трактора и плуга, но нет характеристики почвы, а она важна для установления энергосберегающего принципа воздействия на почвенный пласт.
Подставив уравнение (1) в уравнение (2), а после преобразования получим характеристику почвы, выражающую величину удельной энергии, потребной для обработки почвы:
Aуд =
k + εv 2
,
ηпл
(3)
где ηпл — кпд орудия; k — коэффициент деформации пласта; ε — скоростной коэффициент.
Коэффициент деформации пласта характеризует главную часть сопротивления орудия, и он
показывает величины напряжений, возникающих
в почве. По данным [4, 5] автор рассчитал, что
на деформацию почвы у плугов и плоскорезов, воздействующих на пласт путем сжатия, приходится
до 50 % тягового усилия.
При сжатии почвы рабочими органами, сдвиге и последующем скольжении по рабочим поверхностям частицы принимают ориентированное,
преимущественно параллельное расположение.
Это ведет к плотной упаковке частиц и увеличению сопротивления почвы продвижению рабочего органа.
Величины напряжений, возникающих в почвенном слое, составляют, Н/см2: при сжатии —
2,9…4,9; при растяжении — 0,49…0,98; при кручении — 0,49…0,98; при чистом сдвиге — 4,9…9,8 [3].
Прочность почвы на растяжение меньше ее
прочности на сжатие в 8 раз [6].
Следовательно, для снижения энергетических
затрат при обработке почвы необходимо воздействовать на нее путем растяжения, кручения.
Вестник ФГОУ ВПО МГАУ № 2'2011
61
А ГР ОИ НЖ Е Н Е Р ИЯ
По экспериментальным данным полевых опытов в условиях ВНИИЗХ [4] с культиватором-плоскорезом КПП-2,2 средние значения коэффициентов таковы: k = 13 426 Н/м2; ε = 1060,4 Н·с2/м4.
Подставив эти значения коэффициентов
в уравнение (3), принимая ηпл = 0,6, при скорости
движения 1,75 м/с, получают, что при воздействий
на почву сжатием, Ауд = 25 989 Н/м2.
Величины напряжений в почвенном слое при
растяжении в 5…8 раз меньше, чем при сжатии. Поэтому при воздействий на почвенный пласт растяжением k = 2685,2…1678,25 Н/м2.
Принимая k = 2685,2 Н/м2 при тех же значениях остальных параметров уравнения (3), получают,
что при принципе растяжения Ауд = 7722,5 Н/м2.
Сравнение полученных результатов говорит
само за себя.
Возникает вопрос: как можно избежать сжатия
почвы при ее обработке плоскорезами. По расчетам
автора, которые подтвердились экспериментально,
при углах наклона плоскорежущей лапы к дну борозды в пределах 5…15° почвенный пласт не подвергается сжатию; он наползает на поверхность
лапы, не сгруживаясь, и сходит с нее, растягиваясь.
Энергосберегающий принцип воздействия
на почвенный пласт можно получить, если рассмотреть ход рабочего органа в почве. Обработка
почвы происходит в скоростном режиме и из-за
неоднородности физико-механических свойств
почвы по полю, неровности рельефа и т. д. рабочий орган испытывает вынужденные колебания
по ходу движения. Эти колебания приводят к импульсному нагружению почвы. И, согласно волновой теории распространения импульсов приложенной силы, в почвенной структуре развиваются
волновые напряжения. Их совокупность реализуется в ударных волнах. Ударная волна, скорость
распространения которой больше скорости звука в невозмущенной среде, вызывает перемещение частиц среды и скачкообразное изменение параметров ее состояния. Ударные волны создают
зоны сгущения и разрежения, соответственно сжатие и растяжение частиц, усиливая их колебательное движение, тем самым ускоряя разрыв межчастичных связей.
Удельная энергия деформации ударной волной [7]:
1 − ν2 σ 2т
ΔE1 =
,
(4)
1 − 2ν 2E
где ν — коэффициент Пуассона; σт — предельное напряжение сдвига, кг/см2; Е — модуль упругости, кг/см2.
При помощи расчетов автор получил, что
при скорости движения орудия 1,96 м/с, пределе
прочности разрыву 0,59 Н/см2, модуле деформации от 70,5 до 1,07 Н/см2 и коэффициенте Пуассо62
на 0,3, в почвенном слое энергия деформации возрастает до 0,102 кВт·ч.
Ударные волны также вызывают резкий рост
давления почвенного воздуха в порах и пустотах,
приводящего к увеличению их размеров и разрыву
связей между почвенными частицами. Рост давления воздуха в порах [7]
(5)
pg = pg0 (d / d0)3k,
где pg0 — начальное давление воздуха в поре, Па; d и d0 —
соответственно начальный и конечный диаметры поры,
м; k — показатель политропы (воздух в порах расширяется по закону политропы).
Изменение внутренней энергии в порах
ΔЕ2 = pgVε,
(6)
3
3
где V — суммарный объем поры в 1 м почвы, м ; ε — степень приращения напряжения сжатия пласта.
По расчетам автора рост внутренней энергии
в порах достигает 0,13 кВт·ч.
Таким образом, в совокупности ударные волны способствуют разрыхлению почвенного слоя,
что и является целью обработки почвы. Ударные
волны появляются в результате вынужденного колебания рабочего органа в процессе работы. Это
подсказывает применение принципа воздействия
на почву вибрацией, применение вибрирующих рабочих органов при обработке почвы.
Таким образом, при обработке почвы энергосберегающими принципами механического воздействия на почвенный пласт являются принципы растяжения почвенного слоя, его кручение и создание
вибрационных колебаний в нем.
Список литературы
1. Сироткин, В.М. Разработка теории и метода оценки механического воздействия на почву почвообрабатывающих машин и орудий: дис. … доктора техн. наук /
В.М. Сироткин. — Киров, 2001.
2. Экономическая эффективность механизации
сельскохозяйственного производства / А.В. Шпилько
[и др.]. — М.: Изд-во ВНИЭСХ, РАСХН, 2001.
3. Горячкин, В.П. Собрание сочинений / В.П. Горячкин. — Т. 2. — М.: Колос, 1968.
4. Бледных, В.В. К вопросу оптимального агрегатирования культиваторов-плоскорезов с трактором
К-700 / В.В. Бледных, В.Н. Гурьянов // Механизация
сельскохозяйственного производства: науч.-техн. бюл. —
М.: Изд-во ВАСХНИЛ-ВНИИЗХ, 1974.
5. Шульгин, И.Г. Определение коэффициентов рациональной формулы В.П. Горячкина для культиваторов-плоскорезов / И.Г. Шульгин, Н.В. Щербаков // Совершенствование технологических процессов и системы
машин целинного земледелия: сб. науч. трудов Восточного отд. ВАСХНИЛ. — Алма-Ата, 1983.
6. Кулен, А. Современная земледельческая механика / А. Кулен, Х. Куиперс. — М.: Агропромиздат, 1986.
7. Ионов, В.Н. Динамика разрушения деформируемого тела / В.Н. Ионов, В.В. Селиванов. — М.: Машиностроение, 1987.
Вестник ФГОУ ВПО МГАУ № 2'2011