Deformation of the ribs and crumpling of the soil layer cross-section during its rotation in its own furrow

全文:

Существенным шагом в уменьшении энергоемкости и повышении качества процесса вспашки является технология, обеспечивающая оборот почвенных пластов на 180º с укладкой их в свои собственные борозды (рис. 1). При таком способе вспашки разрушение пласта происходит в основном за счет деформаций растяжения по линиям наименьших почвенных связей, что обеспечивает некоторую экономию энергии на вспашке [1, 2].

 

Рис. 1. Схема оборота теоретического пласта в собственную борозду: АВСД – начальное положение поперечного сечения пласта, АꞌВꞌСꞌДꞌ – положение поперечного сечения пласта при повороте на 90°, А"В"С"Д" – положение поперечного сечения пласта при повороте на 180°. ZXY – оси прямоугольной системы координат. S – расстояние, на котором происходит оборот поперечного сечения пласта на 180°.

 

Технология вспашки с оборотом пласта в собственную борозду сулит и агротехнические преимущества: возможна полная заделка растительных остатков, минеральных и органических удобрений на глубину вспашки; поле приобретает выровненный характер без развальных борозд и свальных гребней; эрозионно-опасные частицы, которые накапливаются на поверхности поля после многократной поверхностной обработки и воздействия движителей трактора, заделываются на дно борозды; сокращается время основной обработки поля за счет челночного способа движения агрегата и исключения разбивки поля на загоны перед началом работы [3].

В процессе оборота при вспашке пласт почвы подвергается сложным деформациям, под воздействием которых происходит его смятие и разрушение. Деформации возникают как от растяжения, так и от сжатия пласта. Зона сжимающих усилий, возникающих в пласте при его обороте в соседнюю борозду, находится в районе опорного ребра Д, относительно которого происходит вращение. Величина зоны сжатия очерчивается радиусом вращения центра тяжести поперечного сечения пласта и зависит от его параметров: ширины (соответствует ширине корпуса плуга) и высоты (глубина обработки) [4, 5].

Исследование характера и величины деформаций почвенного пласта позволит осуществлять проектирование плужных поверхностей с наиболее рациональными конструктивно-технологическими параметрами, обеспечивающими требуемые воздействия на обрабатываемую среду [6, 7].

Такой подход согласуется с подходом основоположника земледельческой механики, академика В. П. Горячкина, изложенной в работе, посвященной поверхности отвала. Он писал: «Рациональный способ проектирования поверхностей отвала должен заключаться в следующем: сначала надо было бы выяснить ту деформацию, которую должен претерпеть пласт при прохождении по отвалу, а затем подобрать подходящую, математически правильную поверхность. Но пока этот идеал является недостижимым. Можно поставить обратную задачу: задаться какой-либо поверхностью и рассмотреть задачу о том, как эта поверхность может деформировать пласт…» [8].

Цель исследований – количественная оценка деформационных изменений ребер и сечения почвенного пласта при его обороте в собственной борозде.

Методика. Рассмотрим деформацию характерных ребер теоретического пласта. Зная длину ребра до (L₀) и после закрутки пласта (L_i), можно определить его деформацию E_T (удлинение или сжатие):

$E_T=\frac{L_i-L_0}{L_0}\times 100\%=\left(\frac{L_i}{L_0}-1\right)\times 100\%$. (1)

Деформации ребер А-Aꞌ-А", В-Вꞌ-В", С-Сꞌ-С", Д-Дꞌ-Д" определялись при различной толщине пласта (0,15; 0,20; 0,25; 0,30 м) и с изменяющимися параметрами коэффициента устойчивости пласта k (отношение ширины пласта b к его толщине a) в интервале 1,0…2,6 с шагом 0,2 и коэффициента закрутки пласта μ (отношение длины, на которой пласт оборачивается S к его ширине b) в интервале 1,5…4,0 с шагом 0,5. Многовариантные расчеты проводились на ЭВМ с помощью программы электронных таблиц Excel.

Выполненные с помощью математических моделей исследования кинематики полного (на 180°) оборота пласта в свою борозду на длине S с размерами, а × b × L₀ позволили определить виды и значения возникающих деформаций характерных ребер и их зависимости от геометрических параметров. Установлено, что в интервале от 0 до π / 2 рад. все ребра пласта подвергаются растяжению. Динамика деформаций различна, но в итоге суммарные деформации в интервале от 0 до π радиан у ребер А-Aꞌ-А" и В-Вꞌ-В" равны между собой, также как и у ребер С-Сꞌ-С" и Д-Дꞌ-Д".

Наибольший интерес представляет исследование деформаций, возникающих на участке от 0 до π / 2 рад., так как именно на нем происходит основное разрушение почвенного пласта в процессе оборота.

Анализ проведенных расчетов показывает, что величины деформаций ребер пласта идентичны для всех значений толщины пласта a при условии, что коэффициенты k и m одинаковы.

Ребра А-Aꞌ-А" и В-Вꞌ-В" в интервале от 0 до 90° имеют различные значения деформаций. Так, при k = 1,0 и μ = 1,5 деформация ребра В-Вꞌ-В" максимальна и составляет 77,37 %, что на 25,70 % больше, чем деформация ребра А-Aꞌ-А". При k = 2,6 и μ = 4,0 деформация ребра В-Вꞌ-В" минимальна (12,33 %), что на 0,64 % меньше, чем деформация ребра А-Aꞌ-А". Примерно одинаковые значения деформаций ребер А-Aꞌ-А" и В-Вꞌ-В" отмечается при k = 2,0 и μ = 4,0, соответственно, 12,84 % и 12,75 %. Графические зависимости деформации ребра А-Aꞌ-А" в зависимости от коэффициента устойчивости пласта k в интервале оборота от 0 до 90° приведены на рис. 2.

 

Рис. 2. Зависимости деформаций ребра А-Aꞌ-А" теоретического пласта от коэффициента устойчивости пласта k при различных значениях μ в интервале от 0 до 90°.

 

С ростом коэффициента m от 1,5 до 4,0 деформация ребра В-Вꞌ-В" уменьшается по плавной зависимости с 77,25 % до 18,13 %, при k = 1, то есть ее величина изменяется на 76,53 % (рис. 3).

 

Рис. 3. Зависимости деформаций ребер А-Aꞌ-А", В-Вꞌ-В", С-Сꞌ-С" и Д-Дꞌ-Д" теоретического пласта от его геометрических параметров в интервале от 0 до 90°.

 

При k = 2,6 деформация ребра В-Вꞌ-В" уменьшается на 78 %, с 56,05 % до 12,33 %. При одних и тех же значениях μ, но с увеличением коэффициента k деформация ребра В-Вꞌ-В" уменьшается на 27,53 %, с 77,25 % (k = 1) до 56,05 % (k = 2,6) при μ = 1,5. При μ = 4,0 деформация ребра В-Вꞌ-В" с ростом k уменьшается на 31,99 %, с 18,13 (k = 1) до 12,33 % (k = 2,6). Интенсивность изменения деформации ребра В-Вꞌ-В" с ростом коэффициента k замедляется.

Примерно такие же процентные показатели деформации, как у ребра В-Вꞌ-В", присущи и деформации ребру А-Aꞌ-А", а их характеры графических зависимостей аналогичны.

Ребра С-Сꞌ-С" и Д-Дꞌ-Д" деформируются в меньшей степени, чем ребра А и В, а при возрастании коэффициента k свыше 2,5 проявляется сжатие ребра С-Сꞌ-С". Деформация ребра С-Сꞌ-С" максимальна при k = 1,0 и μ = 1,5, ее значение составляет 57,37 %. Ребро Д-Дꞌ-Д" в этом случае деформируется на 42,13 %. Минимальное значение деформации ребра С-Сꞌ-С" составляет 0,32 % (ребро сжимается) при k = 2,6 и μ = 1,5, при этом деформация ребра Д-Дꞌ-Д" составляет 18,55 %. Деформации ребер С-Сꞌ-С" и Д-Дꞌ-Д" примерно одинаковы. При значениях k = 1,4 и μ = 2,5 их величины соответственно равны 14,97 % и 15,02 %.

Результаты и обсуждение. Проведенные исследования показывают, что ребра пласта деформируются в довольно большом диапазоне. Манипулируя параметрами k и μ, всегда можно подобрать необходимую величину деформации, при которой пласт остается цельным или разрушается. Так, при проектировании отвала для работы на задерненных почвах необходимо стремиться к минимальной деформации ребер пласта, это дает возможность оборачивать его сплошной неразрывной лентой, что обеспечивает выровненную поверхность пашни. Наоборот, при вспашке старопахотных почв деформация должна быть максимальной, при которой обеспечивается разрушение целостности пласта на отдельные структурные агрегаты.

Суммарные деформации ребер А-Aꞌ-А" и В-Вꞌ-В" пласта в интервале от 0 до 180° так же, как и ребер С-Сꞌ-С" и Д-Дꞌ-Д", равны между собой.

Величина деформаций ребер зависит от геометрических параметров пласта a, b и длины S, на которой происходит оборот пласта. Анализ расчетных данных показывает, что величина деформаций ребер А-Aꞌ-А", В-Вꞌ-В" больше, чем ребер С-Сꞌ-С", Д-Дꞌ-Д" в 2,2…2,3 раза. Это существенная разница в принципе указывает на то, что в процессе оборота пласта на 180° по его объему создаются неодинаковые растягивающие деформации, что может привести к неравномерному крошению почвы в пахотном слое [9].

Проведенными исследованиями установлено, что все ребра пласта А-Aꞌ-А", В-Вꞌ-В", С-Сꞌ-С" и Д-Дꞌ-Д" подвергаются деформациям растяжения. Отсюда можно сделать вывод о разрушении почвенного пласта преимущественно под воздействием растягивающих усилий, что является рациональным с энергетической точки зрения.

Однако при осуществлении оборота в собственную борозду в пласте присутствует зона (в районе центральной линии пласта), в которой деформации сжатия и растяжения близки к нулю. Это значит, что в этом месте разрушение почвы минимально или вообще не происходит (во многом это зависит от физико-механических свойств почвы) [10, 11] (рис. 4).

 

Рис. 4. Деформации ребер А-Aꞌ-А", В-Вꞌ-В", С-Сꞌ-С", Д-Дꞌ-Д" теоретического пласта при его обороте в собственную борозду на 180°: а – толщина пласта, b – ширина пласта, L – первоначальная длина пласта, S – расстояние, на котором происходит полный оборот пласта, ΔL – продольное перемещение поперечного сечения пласта, E – деформация ребер пласта.

 

Выявленные теоретические зависимости деформаций ребер пласта создают предпосылку к обоснованию рациональных параметров лемешно-отвальных поверхностей на стадии проектирования. При этом на первом этапе создания нового корпуса плуга можно задаваться необходимой деформацией почвенного пласта, а затем уже проектировать под эти условия рабочую поверхность.

Смятие поперечного сечения пласта. Анализ оборота поперечного сечения пласта в габаритах собственной борозды показывает, что его поперечные габариты выходят за границы стенок борозды (рис. 5).

 

Рис. 5. Места смятия (заштрихованы) поперечного сечения пласта размером a × b в процессе оборота: АВСД – поперечное сечение пласта, О – центр поперечного сечения пласта, точки K и F – места пересечения окружности (с центром в точке О) радиусом b / 2 с гранью поперечного сечения пласта ВС.

 

При осуществлении вспашки это может привести либо к уплотнению (смятию) поперечного сечения пласта, либо к частичному скалыванию сминаемого объема и перераспределению его по другим местам. В любом случае это должно сказываться на качественных и энергетических показателях работы плуга, поэтому целесообразно провести теоретические исследования такого явления применительно к различным размерам пласта [12, 13, 14].

Величину смятия поперечного сечения пласта можно определить как часть деформируемой площади, выраженной в процентах от полной площади поперечного сечения пласта:

$\delta =\frac{S_{СМ}}{S_{П}}\times 100\%$, (2)

где S_П – полная площадь поперечного сечения пласта, м²; S_СМ – часть площади поперечного сечения пласта, сминаемой в процессе оборота, м².

На рис. 5 показана величина площади смятия S_СМ поперечного сечения пласта при его обороте на 180°. Площадь смятия определяется как разность между площадью прямоугольника АВСД – S_П и площадью части круга S_КР радиусом b/2, отсекаемой большими сторонами АД и ВС прямоугольника АВСД. Часть площади круга определяется как разность между площадью круга S_КР и площадями двух сегментов, отсекаемых от круга сторонами АД и ВС прямоугольника АВСД.

В формализованном виде определение площади смятия можно записать следующим образом:

$S_{СМ}=S_{П}-S_{КР}+2S_{СЕК.ОКF}– 2_{SТР.ОКF}$, (3)

где S_КР – площадь круга радиусом R = b/2, м²; S_{СЕК. ОКF} – площадь сектора ОКF, м²; S_ТР.ОКF – площадь треугольника ОКF, м².

Выразив значение площадей через толщину пласта a и коэффициент устойчивости k, формула по определению смятия поперечного сечения S_СМ примет вид:

$S_{СМ}=k^2\times a^2\left(\frac{1}{k}-\frac{\pi }{4}+\frac{1}{2}\times arc\cos \frac{1}{k}-\frac{1}{2k^2}\sqrt{k^2-1}\right)$. (4)

Процентное содержание сминаемой площади поперечного сечения пласта составит:

$\delta =k\left(\frac{1}{k}-\frac{\pi }{4}+\frac{1}{2}\times arc\cos \frac{1}{k}-\frac{1}{2k^2}\sqrt{k^2-1}\right)\times 100\%$. (5)

Зависимость смятия поперечного сечения пласта δ от значения коэффициента его устойчивости k носит плавный, ниспадающий характер (рис. 6). При k = 1 значение процентного смятия поперечного сечения пласта максимально и равняется 21,5 %, при k = 3 величина смятия поперечного сечения пласта равно 2 %. То есть при изменении k в три раза величина смятия изменяется в 10,5 раза.

 

Рис. 6. Изменение смятия поперечного сечения пласта δ в зависимости от значения коэффициента устойчивости пласта k.

 

Таким образом, при осуществлении оборота пласта в собственной борозде важное значение имеет величина отношения ширины пласта b к его толщине a. Согласно зависимости (рис. 6), чем больше величина k, тем меньше деформация поперечного сечения пласта, а значит, больше вероятность его оборота без заклинивания в габаритах борозды. Однако при обосновании размеров поперечного сечения необходимо учитывать, что с ростом коэффициента устойчивости k возрастают подъем центра тяжести и продольное перемещение пласта, а также увеличивается неравномерность деформаций его ребер.

Явление смятия поперечного сечения пласта необходимо учитывать при проектировании лемешно-отвальных поверхностей с целью обеспечения точного оборота пласта, исключения забивания корпусов плуга почвой.

Выводы. Теоретические исследования оборота почвенного пласта в собственную борозду позволило оценить деформационную картину, возникающую в процессе его целенаправленного движения, и установить закономерности влияния геометрических параметров пласта на деформацию ребер и смятие поперечного сечения. Установлено, что путем варьирования параметров пласта возможен подбор режима его оборота, когда почва будет разрушаться в основном под воздействием растягивающих деформаций, что выгодно с энергетической точки зрения.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Исследования выполнены по госзаданию. Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

В работе отсутствуют исследования человека или животных.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

作者简介

Yu. Tsench

VIM Federal Scientific Agroengineering Center

编辑信件的主要联系方式.
Email: vimasp@mail.ru

доктор технических наук

俄罗斯联邦, 5, 1st Institutsky Dr., Moscow, 109428

Ya. Lobachevsky

VIM Federal Scientific Agroengineering Center

Email: vimasp@mail.ru

доктор технических наук, академик РАН

俄罗斯联邦, 5, 1st Institutsky Dr., Moscow, 109428

V. Sharov

VIM Federal Scientific Agroengineering Center

Email: vimasp@mail.ru

кандидат технических наук

俄罗斯联邦, 5, 1st Institutsky Dr., Moscow, 109428

N. Aldoshin

VIM Federal Scientific Agroengineering Center

Email: vimasp@mail.ru

доктор технических наук

俄罗斯联邦, 5, 1st Institutsky Dr., Moscow, 109428

参考

补充文件