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

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

Supplementary files