Investigation of viscoelastic state of soil under the influence of active surface of the tillage roller


Cite item

Abstract

Universal combined tillage machines combine several processing steps. The final soil cultivation operation is performed by soil-processing machine, which works on loosened soil. Uniform compaction of the subsurface layer is able to be created by soil cultivating rollers with an active working surface. The surface of the roller, which contains elastic elements, increases the vertical load. The shock loading, characterized by intensive impact on the soil, is considered preferable. The advantage of this roller construction is the integration of external loading and automatic tuning to a rational operating mode. The study of the process of soil compaction can be carried out by analogy with the process of soil compaction. The model of the system includes the mass of the working body m, the mass of the deformed soil volume M, the soil stiffness element C, and the soil viscosity element B. The volume of soil deformed by compression is a truncated cone with a height h. Initially, there are compressive stresses in the soil volume directly at the points of contact with the working body. Then instantly, large clods of soil are destroyed, and the surface particles are displaced (compacted). Further, the crushed soil particles transfer pressure to the neighboring ones, involving more and more particles with lateral expansion. As a result of compression deformation, a compacted subsurface layer of the required density is formed. The proposed model can serve as a first approximation for further, more detailed and expanded studies of the stress-strain state of the soil with the possibility of determining the dependencies of the structural parameters and operating conditions of the soil-working compactor.

Full Text

Введение Современные ресурсо- и энергосберегающие технологии производства сельскохозяйственных культур заключаются в интенсификации процесса обработки почвы за счет применения универсальных комбинированных почвообрабатывающих агрегатов, реализовы-вающих за один проход несколько технологических операций. Совмещение операций сокращает количество задействованной техники и длительность технологического процесса обработки почвы. В комбинированном почвообрабатывающем агрегате заключительную операцию по дроблению крупных почвенных комков с уплотнением подповерхностного слоя и созданием верхнего рыхлого выполняет почвообрабатывающий каток, чаще классифицируемый как каток-борона. В результате этого каток в составе почвообрабатывающего комбинированного агрегата работает по почве, подготовленной рыхлящими рабочими органами (лапами, дисками) агрегата. Рыхлящие рабочие органы (диски, лапы и др.) оставляют после себя рыхлую структуру почвы, которую каток видоизменяет посредством воздействия на пласт в вертикальном направлении [1], тем самым создавая уплотненный подповерхностный слой с верхним мелкокомковатым. Наиболее равномерное уплотнение подповерхностного слоя способны создавать почвообрабатывающие катки, обладающие активной рабочей поверхностью вследствие наличия в своей конструкции элементов, имеющих дополнительную степень свободы [2, 3], и тем самым способствующие увеличению вертикальной нагрузки. Необходимую активность рабочей поверхности катка обеспечивают упругие рабочие органы. Из существующих различных видов нагру-жений, воздействующих на почву, наибольшее распространение получили вибрационные (ударные) [4]. Поскольку ударное нагружение характеризуется интенсивным воздействием, то взрыхленная почва под влиянием вертикальной ударной нагрузки испытывает преимущественно деформацию сжатия, которая ускоряет процесс изменения напряженно-деформированного состояния почвы. Результатом этого изменения является формирование уплотненного подповерхностного слоя. Для достижения наилучшего результата необходимо проанализировать состояние почвы под воздействием вертикальной (ударной) нагрузки, образуемой именно активной рабочей поверхностью почвообрабатывающего катка. Цель исследования Целью исследования является изучение напряженно-деформированного состояния почвы, подвергающегося ударной нагрузке со стороны активной рабочей поверхности почвообрабатывающего катка. Материалы и методы Известен каток ударного действия [5], в котором вертикальную нагрузку создает ударный молот, перемещающийся в полой трубе, тем самым воздействуя на подпружиненную трамбовку. В результате вращения катка, когда возникает вертикальное расположение трубы, молот занимает крайнее положение и выводит трамбовку за поперечный габарит поверхности катка, которая в свою очередь оказывает ударное нагружение на почву. Кроме того, активной рабочей поверхностью обладает вибрационный каток [6], конструкция которого состоит из жестко закрепленного на валу наружного барабана и внутреннего барабана, который связан с наружным через пружины. На рабочую поверхность наружного барабана через технологические отверстия выходят зубья, крепящиеся на внутреннем барабане. При движении катка по поверхности поля происходит рассогласование во вращении между наружным и внутренним барабанами. Под действием силы тяжести пружины деформируются, и внутренний барабан вместе с зубьями перемещается вниз. Возникающая в результате перемещения энергия вибрации передается на наружный барабан, вследствие чего увеличивается давление на почву и улучшается качество уплотнения. Преимущество подобных конструкций катков заключается в том, что они способны интегрировать внешнее нагружение на обрабатываемую среду (почву) и автоматически настраиваться на рациональный режим работы [7]. Известно [8], что циклические ударные нагрузки успешно используются в процессе трамбования грунтов вибрационными дорожными катками. В нашем случае процесс уплотнения взрыхленной почвы аналогичен процессу трамбования грунтов, за исключением его цикличности. Известно множество моделей, описывающих напряженно-деформированное состояние грунта, возникающее при обустройстве земляного основания. Однако наиболее близко нашему процессу взаимодействия активной рабочей поверхности почвообрабатывающего катка с рыхлой почвой соответствует модель взаимодействия вязкоупругой среды с рабочим органом трамбователя дорожной машины. Поэтому исследование и расчет напряженно-деформированного состояния почвы может выступать частным случаем основных положений расчета напряженно-деформируемого состояния грунта под воздействием ударных (вибрационных) нагрузок [9]. Согласно ранее проведенным исследованиям Д.И. Золотаревской [10], обработанная рыхлящими рабочими органами комбинированного агрегата почва обладает вязкоупругими свойствами. Исходя из этого, для исследования процесса уплотнения рыхлой почвы посредством воздействия активной рабочей поверхности катка через ударное нагружение рабочим органом и отыскания величины уплотненного слоя необходимой плотности рассмотрим взаимодействие внешней нагрузки с элементарным вязкоупругим объемом почвы. Для удобства расчета воспользуемся приближенной моделью системы «рабочий орган - элементарный объем почвы» (рис. 1) и проанализируем напряженно-деформируемое состояние почвы. Модель системы включает массу рабочего органа m и массу деформируемого объема почвы М, содержащую в себе элемент жесткости С, имитирующий упругие свойства рыхлой структуры почвы, а также элемент вязкости В, имитирующий вязкие свойства почвы. Деформируемый сжатием объем почвы испытывает мгновенную внешнюю нагрузку и представляет собой усеченный конус с высотой h. Так как изначально возникают сжимающие напряжения в почвенном объеме непосредственно в точках контакта с рабочим органом, то мгновенно происходит разрушение крупных комков почвы со смещением по вертикали (уплотнением) поверхностных частиц. Далее, измельченные частицы почвы передают давление на соседние, вовлекая все больше частиц с боковым расширением. Результаты и их обсуждение Представленная модель элементарного объема деформируемой почвы качественно характеризует особенности его динамического состояния - жесткие (упругие) и вязкие свойства, работу вязкоупругих сил деформируемого объема почвы и нарастание его деформации с последующим образованием уплотненного подповерхностного слоя Ah (см. рис.1). Рабочий орган почвообрабатывающего катка при взаимодействии с почвой обладает кинетической энергией [9], которая тратиться на ее уплотнение, расходуясь на преодоление сопротивления вязкоупругих сил. Суммарную силу сопротивления вязкоу-пругих сил почвы уплотнению можно представить в виде: ES h F = Ch + B h, где C жесткость уплотняемого элементарного объема почвы, Н/м; В = - вязкость уплотняемого элементарного объема почвы, Н-с/м; Е - модуль упругости, Па; S площадь контакта рабочего органа с элементарным объемом почвы, м2; h - высота элементарного объема почвы до уплотнения, м; [I - коэффициент вязкости, Па-с. Работу вязкоупругих сил [9] уплотняемого элементарного объема почвы запишем в виде: Ah Л7|2 Ah A (h) = J Fdh = + J Bh dh. 0 2 0 Используя интегральную теорему о среднем значении, выразим составляющую работу сил вязкого сопротивления объема почвы через усредненную первую производную величины уплотненного слоя: Ah J hdh = Ahh. 0 Следовательно, предполагая движение рабочего органа после соприкосновения и после- Исследование вязкоупругсто состояния почвы по воздействием активной поверхности почвообрабатывающего катка hдующего его взаимодействия с элементарным объемом почвы равноускоренным, получим где Vc - скорость движения системы «рабочий орган - элементарный объем почвы». V Принимая условие о «неупругости» удара рабочего органа о почву, определим Vc из закона сохранения импульса чего следует: m -V. (m + M) где V - скоростьдвижения рабочего органа, м/с; т - масса рабочего органа, кг; М - масса уплотняемого элементарного объема почвы, кг. Тогда работа вязкоупругих сил уплотняемого объема почвы с учетом закона сохранения импульса приобретет следующий вид: A C (Ah)2 V ■B-*- Ah 2 2 V ■B-*- Ah. 2 Поскольку работа кинетической энергии равна работе, затраченной на уплотнение объема почвы, то уравнение суммы энергий прилагаемой к рассматриваемому объему запишется в следующем виде: MgAh C(Ah)2 mg Ah - M m Ah- 0 BO*-2 В окончательном виде уравнение для определения величины уплотненного слоя выглядит следующим образом: Его итоговое решение: (m + M )g - B V C(Ah)2 M Л > m- + -CmV„ Ah: C Изменение величины уплотненного слоя сопровождается приращением плотности почвы, которая рассчитывается по формуле: r = P«-P0 P0 где рк - конечная плотность слоя почвы, полученная под воздействием внешней нагрузки, г/см3; р0 - начальная плотность почвы, г/см3. Для достижения требуемой плотности почвы, согласно АТТ, предъявляемой к поверхностной обработке (рк = 1,1...1,3 г/см3), после прохождения комбинированного агрегата оснащенного катком с активной рабочей поверхностью, необходимо задаться краевыми условиями деформирования почвы: Ah рк h что будет соответствовать технологическому процессу прикатывания, согласно которого каток уплотняет подповерхностный слой и рыхлит верхний слои почвы до 10 см, выравнивая поверхность поля за счет разрушения глыб и крупных комков. Выводы 1. Предложена модель системы «рабочий орган - элементарный объем почвы», на основе которой проведено исследование деформируемого рыхлого вязкоупругого объема почвы, подвергающегося ударной нагрузке со стороны активной рабочей поверхности почвообрабатывающего катка. 2. Данная модель может выступать в качестве первого приближения для дальнейших, более детальных и расширенных исследований напряженно-деформированного состояния структуры почвы с возможностью определения зависимостей конструктивных параметров и режимов работы почвообрабатывающего катка.
×

About the authors

Yu. A Semenikhina

North-Caucasian Research Institute of Mechanization and Electrification of Agriculture

Email: semenixina@mail.ru
PhD in Engineering

References

  1. Золотаревская Д.И. Взаимосвязь различных математических моделей деформирования почв // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1983. № 5. С. 10-16.
  2. Семенихина Ю.А. Использование дополнительных элементов в ротационных прикатывающих устройствах // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 4 (14). С. 157-162.
  3. Пархоменко Г.Г., Семенихина Ю.А. Инновационный метод разработки ротационных рабочих органов для обработки почвы в засушливых условиях // Техническое кадровое обеспечение инновационных технологий в сельском хозяйстве (Часть I): материалы Международной научно-практической конференции (Минск, 23-24 октября 2014 г.) Минск: БГАТУ, 2014. С. 247-249.
  4. Семенихина Ю.А. Анализ ротационных устройств для выравнивания и уплотнения почвы // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 2 (12). С. 154-158.
  5. Очинский В.В., Кожухов А.А., Искендеров Р.Д., Братчиков М.Ю. Каток ударного действия: патент на изобретение № 2382537, Российская Федерация. Опубликовано 27.02.2010.
  6. Шапарь М.С. Совершенствование процесса при-катывания почвы под сою виброкатком в условиях Приморского края: дис.. канд. техн. наук. Благовещенск, 2015. 137 с.
  7. Пархоменко Г.Г., Щиров В.Н. Расчет взаимодействия катка с почвой с использованием теории вязкоупругости // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2007. № 10. С. 16-18.
  8. Хархута Н.Я. Машины для уплотнения грунтов. Л.: Машиностроение, 1973. 176 с.
  9. Савельев С.В., Михеев В.В. Исследование деформирования упруго-вязкой среды при ударном нагружении // Вестник СибАДИ. 2012. № 4 (26). С. 100-103.
  10. Золотаревская Д.И. Исследование и расчет уплотнения почвы при работе и после остановки колесного трактора // Тракторы и сельхозмашины. 2016. № 8. С. 33-38.

Copyright (c) 2017 Semenikhina Y.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies