автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.04, диссертация на тему:Механико-технологические основы теории деформации почвы рабочими органами почвообрабатывающих и посевных машин (моделирование методом конечных элементов, оптимизация и автоматизированное проектирование)

НАУЧНО- ПРОИЗВОДСТВШЮГ ТБЪЕЩПГСЕ ПО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМУ МЛШЮСГРОЕШЮ НПО вксхои

На правах рукописи

юшюв Иыран Сабир огли

МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЮРКИ ДЕЮРУАШ ПОЧВЫ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮДОХ И ПОСЕВНЫХ ШШИН (МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭJEШm)B. ОПТИМИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ)

»

Специальность 05.20.04 - свдьскохозяйственнш и

гидромелиоративные иашикы

Автореферат диссертации на соискание ученая степени доктора технических наук

Москва - 1902

Работа Еыполяена в Научно - производственном объединения по сельскохозяйственному машиностроению - НПО ВИСХОМ.

доктор технических наук, профессор И.М.Панов академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Г.Е.Листопад;

доктор технических наук, старший научный сотрудник Ю.И.Кузнецов;

доктор технических науг старший научный сотрудник А.Л.Эйдис

Ведущая организация - НПО по почвообрабатывающей и • посевной технике "ЛАН"

Защита состоится 16 декабря 1992 года в 10 часов на васедании специаг-эированного совета Д 132.02.01 в Научно производственном объединении по сельскохозяйственному машиностроению - НПО ВИСХОМ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО ВИСХОМ.

Отзывы и замечания.в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 127247, г.Москва. Дмитровскоэ шоссе, 107, специализированный corот НПО ВИСХОМ.

Автореферат разослан 13 ноя ря 1992 г.

Ученый секретарь сиециализкровт ого сов'^а

Л132.02.01 доктор тех ических наук, профессор

Нау-лый консультант -Официальные оппоненты -

А.А.СОГЖИН

РОГОЖСКАЯ )

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Возможности по дальнейшему росту эффективности производства сельскохозяйственной продукции за счет увеличения числа работников и соответствующего расширения машгаю - тракторного парка хозяйств на сегодняшний день практически исчерпаны. Поэтому на первый план выдвигается народнохозяйственная проблема изыскания дальнейших путей интенсификации производства.

Существенную часть сельскохозяйственных работ занимают технологические процессы почвообработки и посева. Важнейшей основой повышения производительности и качества работы почвообрабатывающей и посевной техники является глубокое изучение ыеханико - технологических особенностей взаимодействия их рабочих органов с почвой и оптимизация их параметров. Такая задача имеет повышенную сложность, так как при ее решении необходимо учитывать большое количество факторов, непосредственно влияющих на выполнение технологических процессов. Кроме того, следует учесть, что в сельском хозяйстве нашли широкое распространение типы рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин, которые резко отличаются между собой как по механическому принципу воздействия на почву, так и по выполняемому технологическому процессу.

В связи с этим разработка математических моделей для расчета силовых и технологических характеристик процесса взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин в зависимости от геометрических параметров, режимов и условий работы на стадии проектирования и создание на их базе расчетных, оптимизационных и проектировочных моделей, рабочих алгоритмов и программного обеспечения является актуальной и ватагой научно - технической проблемой, имеющей большое народнохозяйственное значение.

Цель работы. Создание научных основ теории, расчета и проектирования рабочих органов почвообрабатывающих и посевных ыашкн, разработка их оптимальных параметрических рядов и внедрение з производство нового поколения рабочие органов почвообрабатывающих и посевных каппш. позволяющих спкэкть энергозатраты и повысить качество выполнения технологически процессов.

Объекты исследований. Основными объектам исследований; являлись: физике - механические свойства почв, процессы де-; Формации почвы при ее механической обработке, силовые и технологические характеристики взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин с почвой, принципиальные схемы, конструкции, геометрические параметра, условия и режимы работы рабочих органов почвообрабатываюшлх и посевных ма-; шин. • I

Методы исследов.дий. Теоретические исследования базируются на методах классической и статистической механики, математического и физического моделирования, методе конечных элементов, теории вероятностей, численных методах исследования многомерных функций Неддера - Мида, Хука - Дживса, Ньютона Рафсона, Давидона - Пауэлла - Флетчера.

Для обработки экспериментальных данных испа _>зовалась специально разработанное программное обеспечение для автома-; тизированного формирования математических моделей на базе массивов чисел.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана анизотропная модель почвы в виде совокупности шарообразных элементов, связи между которыми выражаат! упруго - вязко - пластические свойства почвы; !

- разработана адаптированная к задачам земледельческой механики реализация метода конечных элементов для исследова-| ния в диалоговом режиме на ЭВМ деформации почвы, полйисил и; перемещений внутри ее массива, позволяющая визуализировать; процесс деформации почвы и исследовать явления, которые про-' исходят внутри массива (возникновение и развитие трещин, об-' раяование уплотненных ядер, застойных бон и пр.) при ее взаимодействии с поверхностью рабочих органов:

- разработала реологическая модель для описания прочностных характеристик связей между струтурнши отдельностями: почвы;

- дано дальнейшее разв-тие условия прочности Кулона -Мора вводом учета твердости составляющих структурных отд ль-ностей почвы; .

- обработкой многочисленных оп гных дашшх установлены пара! гры пегрессионг'х эависи-остей для определения физн.-и -механических свойс.л почвы;

- предложено универсальное решение различных интерпретаций задачи Буссинеска для почвы;

- установлены закономерности деформации почвы при взаимодействии с поверхностями рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин;

- установлены зависимости силовых и агротехнологических характеристик рабочих органов от их геометрических параметров, физика - механических свойств почвы и режимов работы;

- разработан метод многокритериальной оптимизации параметров поверхностей рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин;

- разработана математическая модель для расчета и автоматизированного проектирования рабочих органов в соответствии с технологическим назначением.

Новизна технических репений подтверждается 10 авторскими свидетельствами на изобретения, созданными с участием автора.

Практическая ценность работы заключается в создании пакета прикладных программ для расчета силовых и агротехнологических характеристик процесса взаимодействия рабочих органоз почвообрабатывающих и посевных малин с почвой на стадии проектирования, для автоматизированного проектирования рабочих органов для выполнения конкретных технологических операций по почвообработке и посеву, а также для разработки их оптимальных параметрических рядов.

Результаты внедрения и экономический эффект. Результаты диссертационной работы реализованы в НПО по посевной и почвообрабатывающей технике "ЛАН", в ПО "Целиноградсельмал" и в НПО ВИСХШ' в следующих разработках:

- рабочие органы зерновых сеялок для прямого посева СЗПП-4; и СЗПП-8;

- дисковые рабочие органы для чиэельных рыхлителей РЧЛ-5-Б0; .

- рабочие органы для предварительного нарезания борозды фронтальных плугов 1Ф-2;

- дисковые рабочие органы плугов общего назначения ПТТ-4-40;

- рабочие органы комбинированных дисковых борон БДК-Б;

- рабочие органы секционных выравнивающих приспособлений ПВС-1.

В указанных машинах внедрены технические решения, 8шии-цэнные 8 авторскими свидетельствами с участием автора. Фактический -чономический эффект от применения результатов исследований на выпущенных машинах составляет 35000 в год. а ожидаемый - 0,84 млн. руб. на первый год выпуска машин.

Кроме того, разработанное программное обеспечение для автоматизированного формирования математических моделей на базе массивов экспериментальных данных, для расчета силовых и технологических характеристик процесса взаимодействия рабочих органов с почвой, для расчета, оптимизации параметров и автоматизированного проектирования рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин принято отраслевым фондом алгоритмов и программ, а такхе рядом учебных институтов для кспольвова-ния в учебном процессе.

Апробация работы. Основные полсскения и выводы' работы обсуждены и одобрены на Всесоюзной научно-технической конференции (Москва. 1088 г.). на Всесоюзной научно - практической конференции (г.Новосибирск, 1289 г.), на международном Симпозиуме "Сельхозтехника - 60", на республиканский научно -. технической конференции (г.Кировоград, 1991 г.). секции НТО НПО ВИОТИ (1685 - 1992 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 29 печатных работ, в том числе 1 монография н 10 авторских свидетельств.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 463 стр., ь том числе 358 стр. основного текста. Еютачавеого 105 рис.. 2 табл., список использованной лптератури (276 наименований источников, из которчх 42 на иностргктш яэиках) и 103 стр. приложений.

СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

В первой главе, посвященной постанови пробдаа. иаг -лен анализ известных теорий и иссг-яований по дефор'^ФОваниэ и разрушении по^вы рабочие органами, проведен огют^ш ^ анализ научь л и матогллоги^с!скх основ, которые Зылн использоьана при проведение э^их последовали^. ООссноаана актуальность

проблемы дальнейшего'повышения эффективности применения рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин, реализующих различные технологические процессы почвообработки и посева, и, отвечают« современным требованиям. Показано, что в настоящее время одним из наиболее, эффективных путей повышения эффективности применяемых и вновь разрабатываемых рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин является создание и применение в процессе их расчета и проектирования математического описания модели почвы, которая позволяет решать широкий круг прикладных задач земледельческой механгаш.

Земледельческая механик составляет научную основу проектирования взаимодействующих с почвой рабочих органов почвообрабатывающих машин. К задачам земледельческой механики относятся определение на стадии проектирования качественных и количественных показателей работы машин и агрегатов, силовых характеристик рэбочга органов, управление распределением реакции почвы по поверхности рабочих органов, деформацией и разрушением почвы, прогноз агротехнических П01сазателей рабочих органов с различными геометрическими формами и параметрами, а тагам изучение физико-механических свойств почвы и формирование ее структуры.

Значительный зклад в развитие вопросов деформации почвы и возникающих при этом сопротивлений внесли В.П.Горячкин, Ы.Х.Пигулевский, Г.И. Покровский, В.А.Желиговский, М.Е.Маце-иуро, Г.Н.Синеоков, Г.Е.Листопад, И.М.Панов, В.В.Кашгин, А.С.Кушнарев, П.Н.Бурченко и др. При этом основное внимание ими было уделено рассмотрению силовых и технологических характеристик' взаимодействия различных рабочих органов в зависимости от их геометрических параметров, режимов и условий работы. Почву рассматривали как упругое, упругопластическое, упруговя8кое или' упруговя8копластическое тело. На высоком уровне разработаны реологические модели почв.

На основе анализа известных математических описаний теории разрушения почвы, их можно разделить на два основных направления. По первому направлению почва рассматривается как сплошная среда с определенными свойствами и сосп. шием и далее в зависимости от обобщенных показателей этой среды (твердость, скважность', коэффициенты внутреннего и внешнего трений и т.д.) исследуется1 ее сопротивление механической обработке и

технологические показатели взаимодействия (крошение, формообразование борозды и т.д.).

По второму направлению почва рассматривается как дискретная Среда, состоящая из отдельных частиц или агрегатов (структурных отдельностей). На наш взгляд, это направление, начатое Г.К.Покровским, является более перспективным. Это свя-1 аано с тем. что это направление, в отличие с; первого, позволяет разработать математические описания как почвы, так процесса ее разрушена, которые ыогут быть наиболее приближены к реальной почве и процессам, протекающим в ней при механической обработке. Созданные на этой основе математические модели в принципе имеют достаточно серьезные потенциальные возможности для их постоянного совершенствования, уточнения и дальнейшего приб: женин к реальным почвам.

Фактический материал, имеющийся в специальной литературе по проведенным ранее исследованиям,мжет быть достаточным основанием для разработки и дальнейшего совершенствования методов расчета деформаций и разруиениа почв. Метол конечных эле-; ментов (К!КЭ), интенсивно развивающийся в последнее время от-1 вечает этим требованиям. При обосновании новой версии метода конечных элементов приняты следующие допущения: ;

1. Наиболее эффективное применение МКЭ при решении аадач; ¡земледельческой механики может быть осуществлено использованием модели массива почвы, состоящей из абсолютно твердых,. варообразных элементов, соединенных между собой специальными связями, прочность которых соответствует графику напряжений от начальной деформации до полного разрушения, с размерами, соизмеримыми с элементарными гранулами исследуемого кошсрот-но^о типа почвы. ;

2. При представлении массива почвы, описанным б пункте 1; способом, можно добиться точного математического описаши физико-механических характеристик почвы через прочностные свойства связей. ;

3. При механической обработке элементарные частицы почвы не разрушаются.

В соответствии с изложенным приняты следукаие рабочие1 гипотезы: '

1. В результате действия -нешней силы на отдельно.взгтую! частицу происходит разрыв ее свяэей с массив./« почвы в поряд-

ке убывания их прочности до того момента, пока не останется одна связь, которая разрывается только после поворота частицы вокруг своей оси и упора связи о поверхность опорной частицы.

2. Разрушение почвенного массива в целом поверхностями рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин происходит в результате совокупности "микроразрывов" связей "неделимых" частиц, т.е. разрушение происходит только за счет напряжения растяжения.

В соответствии с целью и рабочей гипотезой диссертационной работы сформулированы следующие задачи исследований:

1. Разработка математической модели почвы;

2. Разработка математической модели деформации и разрушения почвы на базе адаптированной к задачам земледельческой механики реализации МКЭ;

3. Установление закономерностей деформации и разрушения почвы при взаимодействии с поверхностями рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин;

4. Разработка метода многокритериальной оптимизации параметров поверхностей рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин;

б. Разработка математической модели для расчета и автоматизированного проектирования рабочих органов в соответствии с технологическим назначением:

6. Разработка параметрических рядов рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин для различных технологий обработки почвы и посева в разнообразных почвенно-климатических зонах;

. 7. Технико-экономическая оценка эффективности использования результатов исследований.

Во второй главе изложены результаты экспериментально -теоретических исследований по изучению фиэико - механических характеристик почвы и разработке математического описания модели почвы.

Физико - механические свойства почв являются важнейшей характеристикой, имеющей особое значение при разработке математических моделей для расчета и проектирования поверхностей рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин. При этом необходимо отметить, что расчет, оптимизацию и проектирование поверхностей рабочих органов нельэя рассматривать Сеэ

учета случайного характера бтк< свойств. Поэтому при составлении математической модели в основные зависимости, которые имеют случайный характер распределения величин ;и определяют; условия работы, были введены вероятностные модели.

На основе проведенного системного анализа и теоретичес-: ких исследований нами было установлено, что для создания математического обеспечения для расчета поверхностей рабочих органов с прогнозированием их силовых и технологичеашх пока-. зателей на стадии пр..актирования, необходимо знание следующих; физию-механических свойств почв: гранулометрический состав., i влажность, липкость, твердость, коэффициенты внутреннего и( внешнего трений, сопротивление сдвигу и сцепление. ,

При этом ватаым является выявление наиболее характерныхj типов почв и, соответственно, математических описаний их фи-| зтсо-мехаккчесгак характеристик. Анализ, имеющей« в науч-, но-технической литературе информации, позволил априорно уста- i копить среднестатистическую вероятность различных типов почв 1 пахотных земель Рывшего СССР. В результате этого анализа ус-' тановлено', что преобладают дсрновоподзолистые, глинистые, ; черноземы обыкновенные и южные, черноземы оподзолеяныэ. выше- ; лоченные, типичные и лугово-черноземные, серые лесные типы | почв. Поэтому в оаботс при вычислении параметров регрессион- j ных зависимостей в основном приняты во внимание опытные дан- | ше, полученные при экспериментальных исследованиях указанных ;

Т1Ш0В почв. '

диализ результатов статистической обработки опытных дан- ! ных, полученных рядом исследователей и нами, указывает на большой разброс этих дачных. Поэтому, при разработке математических моделей расчета и проектирования поверхностей рабо- ! чих органов они условно были разделен на две основные груп- 1 пы. Первая группа включает зависимости для определения влах- ¿ носги, твердости, сопротивления вдавлуашю, сцепления, con- ¡ рот;гвления сдвигу почвы. Зти вави*- мости установлешл с по- , мощью разработанного нами математического и программного: обеспечения, которые основана на рабочей гипотезе: "для любого массива числовых данных, пражаюда изменение какой либо функции в зависимости о* конечного числа переменных сдеству-ет ф> .кция- которая наиболее, олизка к исследуемому массиву и параметры этой фун..дин поддаются определению численными ыето-

дани". В соответствии с этим, отмеченньэ зависимости позволяют определить средние значения указанных показателей, на основе многочисленных опытных данных. Вторая группа включает зависимости для определения коэффициентов внутреннего и внешнего трения и липкости почвы» использование которых требует введения поправочных коэффициентов при определения граничных условий возникновения уплотненных ядер, застойных зон и залн-пания рабочих поверхностей для исключения этих явлений во всем диапазоне аргументов. Необходимость ввода указанных поправочных коэффициентов обуславливается такие вероятностным подходом, который был применен при разработке математических моделей для расчета и проектирования поверхностей рабочих органов. Задача определения конкретных величин, указанных поправочных коэффициентов,была решена в комплексе с кинематическими и силовыми особенносттзг взаимодействия рассматриваемого участка рабочей поверхности.

! Элементарный состаз модели почвы описан следующим образом. Почвы представляют собой трехкошюнентнуп систему, включающую твердую, жидкую я газообразную составляющие. Твердая составляющая может быть описана указанными выше шарообразными элементами, а яидкая и- газообразная составляющие описываются уравнениями связей между этими элеиентачи.

Основные величины, характеризующие поэлементное разбиение массива почвы,заключаются в следующем:

Величина радиуса [?3ь шарообразных элементов определяется, как средняя величина эквивалентных радиусов всех частиц, которые включает единица объема исследуемого типа почвы:

1-1

к!

Е Пи 1-1

к!

ЯвЬ--. (1)

п

где п - количество фракций элементарных частиц; 1' - номер фракции элементарных частиц; к1 - количество частиц в 1-ой фракции: 4 - номер частицы-*

Ки - радиус частицы номера находящейся в 1-ой фракции.

Уравнения прочности свяаей ыежду шарообразными элемента-

бХхуг ™ £ Ххуг(1)5 (2)

бухуг - ^Уху2(1)» (3)

бгхуг - £гхуг(1) ■ '(4)

где бххуг. бухуг. бхху2 - напряжения в связях от переведений

элемента с координатами центра х,у.2 в направлении соответствующих координатных осей Х,У,г.

. При этом

пк — х; пу — у; п2 2.

где пх. пу. п2 -порядковые номера частиц в направлен™ соответствующих координатных осей Х.У.г.

Уравнения напряжений в связях между шарообразными элементами определяются в зависимости от твердости ■ исследуемого образца почвы.

Взаимное расположение (упаковка) шарообразных элементов характеризуется углами и отклонения прямой, соединяющей цент-, ры двух рассматриваемых элементов от горизонтальной оси X. В - от поперечной оси У. г - от вертикальной оси Ъ.

Уравнения реакции связей:

К°Ххуг - ГвХхуг(1)5 (б)

Й8*»* - ГвУху2(1):' (6) •

1?гхуг - Гвгхуг(1). (7)

где {^ххуж. ^Ухуг. Кв2ху2 - реакции связи от перемещений

элемента с координатами центра х.у,2 в направлении соответствующих координатных осей X,

у, г.

Эти уравнения связей шарообразных элементов, вваныодейс-■¿гющих с контактной поверхностью рабочего органа, определяются коэффициентом внешнего трения исследуемого образца почвы н липкостью.

Выведено уравнение для определения объема частиц по- ш в зависимости от ое фракционного состава-.

--- + Е [----). (8)

3 1-2 ^ N1 >

Соответственно плотность шарообразных элементов будет определяться:

Мп

+ £ I-:— Л

N1

н 2 I—5—ч

1-2 ^ N1 >

где Мп - масса единицы объема исследуемого образца почвы: [?1 - радиус частиц 1-сй фракции [мм]; N1 - процентное содержание в почве частиц 1-ой фракции. Объем модели почеу устанавливается следующим выражением:

А В Г

Ум - £ Е Е 1Ьыся. (Ю)

х-1 у—1 2-1

или

У„ - А-В-Г-РзИ. (Ш

где А, В. Г - число элементов по осям Х.У.г. соответственно.

В соответствии с выражениями (9) и (11) запишем уравнение для определения массы Мзь отдельно взятого шарообразного элемента:

Мп

Мзи--• (12)

А-В-Г

Удельная- масса шарообразного элемента определяется по следующему выражению:

З-Мп

ИзЬи---5— . (13)

Уравнения (2)-(4), в соответствии со 2 пунктом допущений, должны иметь вид, который представлен на рис.1. Дальнейшие исследования поведения модели почвы при ее деформации и разрушении, подтвердили правильность этого подхода в частное-

ти тем, что а а сон изменения сопротивления вдавливания шаровидного деформатора в почву, полученный расчетам путем, совпал с экспериментальным.

Опилем вывод выражений для определения типа и параметров этих уравнений.

В соответствии с цель» исследований по разработке математической модели почвы, позволяющей исследовать процесс ее деформации и разрушения на всех стадиях, т.е. на стадиях упругих. пластических л вязких деформаций, представим вависи-мость реакций связей шарообразных элементов от перемещений (см.рис.1) в виде полинома с переменными (освобожденными) степенями. Кроме того, в эту зависимость кроме перемещения в качестве аргументов должна войти влажность почвы. Наличие зтих аргументов в искомой функции объясняется тем, что как по!саэывает анализ опытных данных, полученных авторе» и другими исследованиями, отмечается прямое влияние на кривую "напряжение- перемещение" этих факторов. С учетом зтих подокон«]? запишем уравнение, описывающее функции связи, следующим'образом:

Составим математическую модель для определения параметров уравнения (14). Для более полного представления характера связи медду частицами начнем с рассмотрения отдельных деформаций этой связи. При приеме ва основу вида указанной вавкск-мостн необходимо отметить то, что в отличие от теории лилейного упруговяэкого деформирован™ проявление упругих и вязких свойств свяви происходит раздельно. Запишем уравнение Хознеы-вера - Прагера для линейного у..руговшаэго деформирования:

где сСэ — тх - предельное напряжение сдвига по Бингачу; «1-1;

«г - Тг -II/Ио - время релаксации;

£2 - и - коэффщц ^нт еязкости;

£¡1 - В~; ' '

Бо» В-. - мгновенное и предельно-длительное значения моду-

п

Р - Е ^1-1

1-1

(14)

йо + ОН-X + «2-Х = 01-Г •' Ог-г,

(16)

ля сдвига.

Для улучшения обозримости формулы (16) приведем ее к следующему виду:

+ х + Тг-т: - г:&- + т1-г. (16)

Уравнение Хоэнемзера - Прагера связывает в данном случае напряжение, деформацию, ее скорость и время (в неявной форме). При атом следует отметить, что это уравнение описывает упруговязкое деформирование массива вообще, в чем и заключается основное различие между ним и выражением (14). Для приведения уравнения (14) к виду формулы (15) воспользуемся методом модельного отображения, исходящим из представления, что свойства связей определяются сочетанием упругих, вязких и пластических характеристик (тела Гука, Ньютона и Сен-Венана). В результате анализа известных моделей установлено, что эти модели не удовлетворяют отображению исследуемой зависимости. По' этой причине была разработана модель, которая, на наш взгляд, более точно описывает уравнение связи между шарообразными элементами математической модели почвы.

В соответствии с уравнением (14) рассмотрим комбинированную реологическую модель, представленную на рис. 2. Как видно иа представленной на рисунке модели, ее можно описать двумя выражениями:

- для первой стадии деформирования (1 < 1э):

I - Н1 - 5У1 - Н2 - [(НзМ-М; (17)

- для второй стадии деформирования (1 > 1з):

Г-Н! - БУ1 - Н2 - (Нз13У2|Ю. (18)

где НьНг.Нз.М.ЗУх.БУг - тела Гука. Ньютона и Сен-Венана (сы.

обозначения на рис. 2).

Анализируя представленные выражения следует отметить, что для рассматриваемой модели эти две стадии делят процесс деформирования связи также на два участка: 1з2 - 0 и 1зг > О, т.е. до выборки телом N расстояния 1з и после. На основе представленной модели первый член выражения (14) приведем к следующему виду:

Р - Ы - 1(1. - - Тт) +

+ 1(Ь - н - 12)-и2 + -.Тт) +

+ 1(Ь - Ц - 12 - ЬЫ^»*5- «.2 - (19)

Ркс.1. Зависимость реакции связей парообразных цементов от перемещений.

Рис.2.

Рооло! .Лс(С!>ая Шдель связи ыеклу иарооиразнши элементами, отобргжащая процесс упруга», пластически* и еяоких дефолиаций.

- 15 -

,гдо 1(Ю - функция Хезнсайда (единично. ) скачка);

$.1,....6.5 - искомые численпие параметры уравнения; тт - напряжение пластического течения; Ь - перемещение.

Для ксполыювания в практических расчетах уравпения (19) нами разработана методология для определения конкретных значений его параметров:

- Ту/11, (20)

(Тт + Тв)

(.2 ---+

2

11+12+1

+-:

)

ьз - -

Ь+12 11+12+13

(тт+т3)[—— + —--)- г(—— + ———1

Ч1+1е 11+12+1^ Н1+12 11+12+Ы

Ч1+1г 11+1г+1п

Ап(Тв) + 1Л(Тс) - ¡15[1л(11+12+1э)+1Л(11+12+1з+и)1ч и-ехр (---):

чб--

2

[Щ(ТВ) - 1п(Тс)1 Е1л(11+12+1г+14) - 1п(11+12+1з)1

ЕШ(11+12+1Э) - 1п(11+12+1з+14П*

где Ту - предельное напряжение упругой деформации связи. та - напряженке пластического упрочнения. Тс - напряжение, наступающее после тв и при котором происходит окончательное разрушение связи. Таким образом, определены все численные параметры уравнения, описызащего исследуемую функции модели (рис. 2).

Перед проведением расчетов процесса деформации и разрушения почвы конкретным рабочим органом необходимо принимать определенные вначекия для точек 1 (Ty.li). 2 (тт,12), 3 (т„.1з) и 4 (Тс.Ц) (см.рис.1). Перечисленные величины позволяют сформировать уравнения свяаи, которые соответствуют оп-

ределенному физико - механическому состоянию почвы. Например,, задаваясь значениями 0, 11*0, гт-0, 12-0, Хв-0, 1з-0. тс-о| и 14-0 (сис. 3. а) получим уравнения связи для почвы, у кото-| рой разрушение связей наступает сразу после достижения макси-| мальной величины X. Если принять Ху^0, ЦЮ. . Тт^О. 12*0. тв-0„ 1з-о, Тс-0 и Ц-0 (рис. 3.0), то получим упругопласти-ческое прочностное состояние модели поч^л. При значениях туо, 11»Ю, -Ст^О, 12*0. Хв^О, 1зт»0, ТС~ТВ и 14>0 (рис. 3. в) получим уравнения с* чаи модели почвы, которые соответствуют ее упругопластично - вязкому состоянию.

Для нахождения конкретных значений координат, перечисленных выше точек нами применен интегральный метод, позволяющий проделать эти вычисления, используя прочностные показатели почвы.

Исследование функции (19) показывает, что ее »'тжно применить не во всем диапазоне значений Ь и Язь- В результате графо-аналитического анализа были установлены значения Ь и Г Кзь, при ютторых зависимость (19) принимает ожидаемый вид.

Опишем влияние на исследуемую функцию влажности почвы. Для этой цели используем уравнение сопротивления вдавливанию деформатора в почву от ее влажности, поскольку дате при идеализации мы не можем вычислить параметры второго члена выражения (14). Главкел причиной этого является то, что силы, результирующую которых мы ищем, имеют различную природу, исключающую простое математическое описание. В результате проведенных аналитических исследований, нами было установлено, что уравнение зависимости сопротивления почвы (твердость) внедро- | нию эталонного деформатора от ее влажности в этой смысле' представляет интерес только на малых глубинах погружения де- | форматора в почву. Поэтому поиск параметров второго члена | уравнении (14) также вели интегральным путем - как осреднеп- ! ныу , отнесенных к характерным объемам почвы, !»1ши являются | образци при их испытании на сопро'игчеаие вдавливанию дефор- ■ матора. ^

В соответствии со сказанным, приведем уравнение (1 ) к следующему виду:

(е.1ь-Гт)+1 CR.il) (&2-Тт+«з/и+ШК2) (е.4Ь -42-4з/Ь)

Р---

С1 + СгИотн + Сз«отн ____

(21)

где Йк1 - Ь - Ц - ^ - I - Ц - 1г - 1з-

Опуская промежуточные выкладки, в соответствии о разработанной методологией для определения параметров уравнения связи по влажности почвы, запишем:

«1--: (22)

3

-----[уЗ^уЗг+^з---—] Сз

Сг" ~ I ~ (Щ+Уг+Уз)2 '

Мг1+М22+«2з----(23)

3

У*а2 Р»о2 г У¥01Рио2] р---рто1-----

_3 1_3 -I У*о2 - У\о1/3_

3 3 - У2„о2/3

(24)

где Шх-Уотна^г^отнг^з-УотнЭ - точки, соответствующие минимальному, среднему и максимальному значениям влаглости в исследуемом диапазоне (3 -25 X) величин аргумента. Р*о1 - Р1Ш1+Р2У2+РзУз: Р*о2 ~ Р1+Р2+Р3: Wl+W2+Wз•.

У*а2 - и21+И22+И2з; Рр* - Р1и21+Р2и22+Рзи2э. График этого уравнения представлен на рис. 4. Анализируя этот график следует отметить, что уравнение связи сохраняет характер зависимости сопротивления почвы вдавливанию деформа-тора и это является подтверждением правильности вывода этой зависимости.

Относительное движение и трение частиц почвы между собой происходит как в процессе деформации, так и после полного разрушения связей между ними. Поэтому, очевидно, что уравнение связи медду шарообразными элементами (21) необходимо

I /1

2ЛЧ ТТ а

¥

Рис.3. Виды зависимости напряжения от деформации связи.

Ртах = 8,1305 кг ; Рш = 0.8028 кг: Шаг по оси I: №1^5 м; Наг по оси Иотн,: 1X.

Уотн.Х

Рис.л. Зависимость реакции связи от ыяяности и дефОй*а ции сьнвей мевду таро"5раэпыш элементами.

уточнить с учетом относительного движения и трения Частиц между собой. В этой связи запишем известную формулу Кулона:

Рэ - Сг + РУГВ, (25)

где Сг.,- сцепление;.

Ру' - нормальное давление; Гв - коэффициент внутреннего трения. Очевидно, что в формуле (25) сцепление выражает силу структурных связей между частицами почеы. т.е. для шарообразных элементов, и описывается, уравнением связей между ними. Из рис. Б, где представлена схема силового взаимодействия пары шарообразных элементов ме:гау собой, видно, что следует выделить три основных момента этого взашодействия: первые два -когда внешняя сила Ру направлена на разъединение рассматриваемых элементов или перпендикулярно к прямой, соединяющей центры этих элементов. В этом случае второй член уравнения (25) равен* нулю. Третий момент проявляется во всех остальных случачх. т.е. когда-сила Ру направлена на сжатие элементов между собой и, соответственно, в этом случае второй член рассматриваемого уравнения принимает значения отличные от нуля.

В этой связи, а также учитывая то, что с использованием функции единичного скачка (Хевисайда) можно исключить учет силы внутреннего трения в случаях, когда нормальная составляющая внешней силы Ру для рассматриваемой пары шарообразных элементов равно нулю или имеет отрицательное значение (см.рис. 5)', опуская промежуточные выкладки, уравнение (21) запишем п следующем виде:

£.5

р--——--(.

С1 + СгИотн + СзИотн

+Т[РуСоз(с() ЗРуСоэМ (0.7335-3.1Б62Уот„10"2+6,6287«2ота10"'1).

(26)

где а - угол ыеяду направлением вектора силы Ру и ~ряыой. соединяющей центра рассматриваемых шарообразных элементов.

Таким образем,. получено уравнение ыежэлементных связей модели' почвы, которое позволяет рассматривать почву как нас-

сив. состоящий из абсолютно твердых, шарообразных элементов, соединенных меаду собой связями, обладающими специальными' прочностными характеристиками. Характер этой зависимости по своей сути повторяет поведение механической модели (см.рис.2), которая была взята за основу при разработке этого уравнения. Уравнение достаточно полно описывает связь между шарообразными элементами, поскольку оно учитывает как силы, выражающие прочностные характеристики этих связей, так и силу трения, возникающую ; ри наличии относительного движения между элементами.

Аналогично на основании уравнения

Рвн - Рл + Рг Соэ(в) {, (27)

где Рвн - результирующая сила взаимодействия частицы почвы с рабочей поверхностью;

Рл - усилие липкости, т.е. усилие структурной егчэи рассматриваемой частицы почвы с рабочей поверхностью;

Рг - сила воздействия рабочей поверхности на рассматриваемую частицу;

в - угол, на который отклонена сила Рг от диаметральной оси частицы, проведенной перпендикулярно к рабочей поверхности;

Г - коэффициент трения почвы о материал рабочей поверхности,

разработано уравнение внешней связи элементов почвы с рабочей поверхностью:

РдзЬ ~

г.!лы№п1) и!д1--стд)+1 (кп2)рчп.;+1№пз) (г.4д1 -6.'/'-4э"/р ПзЬ(С1Л + 4гХтн + Аз^'отн) +1[РгСоЗ(В)ЗРгС03(В){11.6115 \;Отн°'09£^ - 0.1Б93 Ыотк0'8063 " -3,1032У/ОТН0' С922-4, АА7Шсп^б9-2,8854[РгСоз(С)]"0'0184 -- 3,6669 [РгСоз(В)]0'0110 - 0,3792 >.

где с 1,41 - параметра уравнения;

йл - ь- Нл; .412 - Ь - 11л - 12л:

Япэ - ь - 11л - 12л - 1зл; - - Хтл +

- 21 -

Рсаработапй' методология' для опре; ;ления конкретны;? значений параметров этого уравнения. Таким образом, получено уравнение внесшей' связи шарообразных элементов модели почвы с .контактной поверхностью рабочих органов.

Основным' уравнениями, из которых состоит математическое ■ описание почзы.пйлййтйя уравнения равновесия системы. !,недел1-шх" чаотиц почвы, условия на гранича« поверхностях рассматриваемого объема- почвы, условия совместности деформаций и зависимости недду деформациями' и напряжениями. При этом ют/ло-ненти В!1утренних напряжений'должны удовлетворять уравнениям равновесия и условиям на граничных поверхностях та'осе з тс« случае, если внутри рассматриваемого объема почвы н на его граничных поверхностях заданы опрсделе!!ные напряжения. В о то А связи следует заметить, что отмеченные условия на Граниных гГОЕерхнсютях ограниченного объема почвы должны быть рассмотрены в тесной связи с уравнениями равновесия, т.е. уравнения равновесия почвы, как системы из частиц опрзделенной массы, пространственных координат к уравнений связи с соседшши частицами не ¡-сгут быть приведены к окончательному виду и ресе-еы, пока но даны условия на граничных поверхностях ограяичоя-ного объема почвы.

Известно, что силовое и геометрическое состояние среды, рассматриваемой з виде системы, состоящей кз элементов с определенными кассой и координатам, п общей виде ыссет быть записана в виде следующего квавигариокического уравнения:

Яг С? \ вГ ч Ог •>

— Кх— + — Ку— + — Кг- 1+0-0. (29) ахч ах > зу > аз4 аг >

где X. У. Ъ - пространственные координаты;

9 - пекшая непрерывная функция;

Кн. Ку, Кг - коэффициенты;

О - внешнее воздействие.

Поскольку в данном случае рассматривается ограниченный объем'почвы, находящийся в состоянии общего равновесия до воздействия на него со стороны внешними силачи (0-0), то приведем дифференциальное уравнение (29) к следующему виду:

аг а? у а( зз> а( а? — Кх— + — Ку— + — Каг— - о. (30)

ах^ ах > ау^ ау > ж* аг. >

- 22 -

Для получения системы уравнений равновесия отдельно взятой частицы (рис.6) воздействие на нее со стороны остальных частиц заменим следующими силами:

а

Р22 - бгс1ус1х + — (бгйуахМг; (31)

аг

а

Р2У,- Г2у(3ус1х + - (Т2Ус1ус1х)с12; (32)

82.

а

Р2* - tzxdydx + — (ггхс1у<3х)с12; (33)

62

а

Рхх - г,кйг(1у + — (бхс12с1у)с1х; (34)

ах

РХ2 - ХХ2Й2СЗу + — СтГхгС12С1у)(1х: (36)

ах

Рху - Ххуйгйу + — (ххуй2йу)с1х; (36) '

ах

Р^' - + — (бу<1хс12)с1у; (37)

ау

а

Р^ - ГУ2С1Х112 + - ("СугС1ХЙ2)сзу; (38)

ау

Рук - Тухйхбг + —- (*ухйхс12)с!у. (39)

ау

В соответствии с этим запишем систему уравнений равновесия отдельно взятой частицы:

аРхх дргх друх

-+ -+ -+ Рх - 0;

а* аУ

зР*2 аР22 аР*2

--+--+.--+ рУ - 0; (40)

аХ аЬ'

арху аргу аруу

-+-+--I Р2 - О,

ах 1 а2 аУ

где Рх, Ру. Рг - проекции на оси Х.У.£ объемной силы, приходящейся на частицу почвы. Исходя ив вышеизложенного, запишем систему уравнений равновесия почвы, как совокупности состоящей из шарообразных элементов с известными массой, координатами и уравнениями связи с соседними частицами:

'пх. пу. П2+ р^ПХ. пу. 1 Пх-Ьх Пу-Ьу Пу-Ьу4 '

-0:

Щ. Ъ* Ъ* [Р^пх. пу. пг+ Р>ХУпх. пу. П2+ Р2Упх. пу. пг]~0;

Пх-Рх Пу-Ьу Пу-Ьу4 '

|Р22ПХ. ПУ. П2+1 Р*~пх. пу. П2+ Р^пх. пу. пг) "О .

Пх"Ьх Пу-Ьу Пу-Ьу4 >

(41)

где пх. Пу, п2 - порядковые номера шарообразных элементов в направлении координат1гых осей X, У, Ъ\ Ьх. Ьу. Ьг - порядковые номера граничных- шарообразных элементов, лежащих на граничных поверхностях, с минимальными координатами в соответствии с принятыми направлениями координатных осей;

Их. Ну, N2 - порядковые номера граничных шарообразных элементов, лежащих на граничных поверхностях, с максимальными координатами в соответствии с принятыми направлениями координатных осей.

Анализируя систему уравнений (41) необходимо отметить, что эта система'должна-и может удовлетворять принципам минимума полной энергии и минимума дополнительной работы. По принципу возможных перемещений для рассматриваемого ограниченного объема почвы достаточным и необходимым условием равновесия является равенство работ внешних и внутренних сил на перемещениях:

^ах. пу. пг^го;. пу. пг^'/ + ^пх. пу. пзАп*. пу-огО^ -Ум Б

~ ^бпх. пу. гаДпх. пу. пгбУ.

Ум

причем, во втором интеграле сохраняются равенства пх-вх.Нк,

Пу-Ву.Иу И П2-В2,М2.

В то »е время для полной энергии ограниченного объема почни модно эаписать:

Э - П - А. (43)

где П - потенци-л деформации всего ограниченного объема почвы;

А - сумма работ, совершаемых на перемещении элементов на граничных поверхностях и внутри объема Уи.

Таким образом, для модели почпы, которая описывается системой уравнений (41), выполняется следующее: действительные глординаты шарообразных элементов, которые обуславливав" х-чйствитзльнуо форму ограниченного объема почеы. отличаются от всех остальных том, что для этих значений координат, полна!! энергия прин-.яает минимальное значение. Крсие того, необходимым и достаточным условием для обеспечения достоверности математического описания ограниченного объема почвы является то. что эти уравнения при их использовании ь ходе итерационных вычислений координат шарообразна элементов тага;е додяни удовлетворять принципу ышшмума дополнительной работы, согласно юторсму кз всех статически возможных напряженных состояний только для истинного напряженного состояния дополнительная работа для всего ограниченного объема почш пршшыает иичимадьное значение. Выполнение этого принципа при испагьБО-' ьаяии рассматриваемой подели почвы нсиде обеспечиваться '¿си, ч^о при расчете полей перемеще:;:й и сил массива, сарообразви;: элементов, для каждой итерации, долаен быть найден иитт-гугг функции:

^ - £ СРпх.пу.гк,1пх.пу. тг) * п»1 .. 1 (¿4)

Таким образом, с обязательным выполнпиеи указанных выю принципов система ''равнений (41) описывает ограниченный сбыл! массива почвы для исследования его полей перемещений и сил.

- 25 -

Проведенными аналитическими кссле; ваниями найдена зависимость для определения искомой взаимосвязи между вертикальными и поперечными (продольными) компонентами напряжений и перемещений элементов под собственным весом почвы:

I _ I---(46)

2Е(и.у)

б2(Ь3)-212Еах.у)

бх - бу - - . (46)

2

где Е(и - нелинейная функция Юнга.

В соответствии с полученным математическим описанием модели почвы найдено общее решение различных интерпретации задачи Буссияеска.

С целью максимального приближения к реачьным свойствам и состоянию почвы разработана методология формирования анизотропной модели почвы вводом переменного коэффициента пропорциональности Ptз• В соответствии с этим коэффициентом уравнение межчастичных связей (21) в общем виде примет следующий вид: р - р'^а.«. (47)

В качестве основы для моделирования отклонений перечисленных выше показателей, которые определяют функции для описания связей между шарообразными элементами, от их средней величины (в соответствии с исходными данными по физико - механическому и технологическому состоянии почвы) в соответствии с величиной коэффициента пропорциональности Рьз взята математическая модель с использованием формул преобразования случайных чисел с нормальным законом распределения:

РЧз - ¡1 - /ьпо/^па) Мзии&Гйпй"-")!. (47)

где Рпа1. Рпс1(1_1) ~ значения текущего и предыдущего обращений к генератору случайных чисел.

Для определения неизвестных коэффициентов системы уравнений, описывающих анизотропную модель почвы,применен метод Ньютона - Рафсона.

В результате системного анализа известных способов для определения напряженно - деформированного состояния массивов материалов нами установлено, что наибольший интерес среди них

представляют волновой, статический и динамический способы. Путем применения каждого иэ этих способов в конкретных расчетах устг-овлено, что для решения задач, поставленных в настоящей работе, с наибольшим эффектом и точностью можно воспользоваться динамическим способом : в сочетании со статическим способом.

В третьей главе представлены результаты проведенных исследований по разработке математического описания деформации и разрушения модели почвы рабочими органами почвообрабатывающих и посевных машин.

Выполнение той или иной технологической операции рабочими органами почвообрабатывающих и посевных машин в конечной счете сводится к нарушению монолитности почвы, т.е. к ее разрушению. Для наследования процессов деформации и разрушения почвы под воздействием рабочих органов необходимо ' слределить ее прочность, как среды сопротивления. Под прочностью понимают та!сое предельное напряжение, при котором наступает разрыв внутренних связей почвенного образца. Следовательно, 'прочность почвы является результатом сопротивлений взаимному перемещению, скольжению и отрыву связей. В научно-технической литературе имеется ряд научных гипотез, объясняющих причину разрушения различных материалов под воздействием внешних сил. Наибольшее распространение получили четыре теории прочности: предельного' нормального напряжения, предельной деформации, наибольших касательных напряжений и наибольшей удельной энергии деформирования.

Акад. В.П. Горячкин считал, что для расчетов предельного напряженного состояния почвы наиболее приемлема третья теория прочности - теория Мора.

Основное уравнение теории пучности Ьйра имеет следующий

вид:

X ± (6 - С < Сшах. (48)

где х - касательные напряжения в рассматриваемой точке внутри среды [кг/см2]; б - нормальные напряжения в рассматриваемой точке вн/три

среды Гт/сы2]; Г - коэффициент внутреннего тронил среды; с - смоление, т.удельная сила структурной связи между частицами составляющими расс • ¡атриваемую сред»' [кг/см2]

- 27 -

При этом знак "-" Оерется при сжат.м, а знак "+" - при растяжении.

По данным исследователей эта теория прочности хорошо согласуется о явлениями разрушения почв путем сдвига, по не дает правильного отражения прочности почв при отрыве и сжатии. На наш взгляд это происходит из-за того, что неравенство (48) не учитывает прочность составляющих почву стругаурных ■отдельностей (или частиц), хотя и учитывает прочностные характеристики уежду упомянутыми структурными отдельностяии посредством С.

Для устранения этого недостатка условия прочности по неравенству (48) рассмотрим следующее.

При прикладывании нормальных сил Р к внешней поверхности тела (рис.7.а) внутри этого тела на любой элементарной площадке кроме нормальных напряжений б возникают касательные напряжения т. Следовательно, первопричиной возникновения касательных напряжений внутри рассматриваемой среды являются нормальные напряжения. Если это верно, то в зависимости от свойств рассматриваемой среды должна иметь место четкая зависимость между нормальными и касательными напряжениями в среде:

х - кб. (49)

где к - некоторый коэффициент пропорциональности.

В соответствии с этим запишем уравнение для определения величины коэффициента пропорциональности к:

С

к - 1--. (50)

где Рг - твердость структурных отдельностей' Скг/см2].

Как видно из соотношения (60), величина к принимает значения стремящиеся к 1 с приближением' величины сцепления С между структурными отдельностяии к нулю (рис.7,б).

Достоверность зависимости (60) проанализирована при рассмотрении различных сред, в том числе для абсолютно текучей, реальной жидкости и! для дискретных твердых тел. При этом установлено, что для дискретных сред должно выполняться условие С < Рг. Выполнение этого неравенства для этих сред очевидно, поскольку при С - Рг дискретная среда превращается в сплошную (к-0). А если С>РГ,. это указывает на то. что математическое описание структуры неверно, т.к. если твердость структурных отдельностей1 меньше прочностных характеристик

7&Т

Рис.Б. Силовое взаимодействие шарообразных элементов.

Рис.5. Схема внешних сил, дей ствующих на отдельно взятый парообразный элемент.

связей между ними, то геометрические места расположения этих связей должны рассматриваться как структурные отдельности, а геометрические места структурных отдельностей должны рассматриваться как связи.

Запишем условие прочности для такой структурной среды исходя из уравнений (48) и (49):

С

[1 - ± £6 - с. (51)

Опуская промежуточные выкладки, можно записать формулу, уточняющую условие прочности для различных сред, в том числе для почво - грунтов

бРг(1±П

- " С ^ Сщах- (52)

рг+б

Проверка этого условия прочности различными известными способами показала, что оно удовлетворяет известным критериям 'оценки достоверности.

Разработана методология применения разработанного критерия прочности в конкретных расчетах по определению напряженно - деформированного состояния почвы под воздействием рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин с учетом собственного веса почвы.

' Известно, что силы реакции, вызванные нарушающим монолитность массива почвы действием рабочего органа, распространяются в зависимости от физтеаюго состояния почвы на различные расстояния от места непосредственного юзитакта ее частиц с рабочим органам. На нал взгляд, технологической основой деформации и разрушения почвы рабочими органами почвообрабатывающих и посевных мадии является именно это свойство почв, юторое эак.тачается в способности передачи 1с0птг!сткых напряжений на определенные'расстояния от рабочего органа внутри месива почвы.

Очевидно, что величина у зеаг ш расстояний, на которые происходит распространение полей сил и перемещений, зависит но тслысо г^ ¡*::зическсго ^остолния почв, но от гесметричес ках перауетроь (днясйные размеры, углы ориентации контактной поверхности и пр.), масштабных хараотерис"*к (отношение г.>"■•-

б

Сины1 хода к- ширины1 захвата рабочего органа и пр.) и режимов (скорость) воздействия на массив почвы. Законы, управляющие этими характеристиками, которые сопровождают процессы деформации и разрушения почв, в целом должны составить технологическую основу при расчете, оптимизации и проектировании'рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин, поскольку именно они в значительной степени определяют формообразование борозды и степень крошения почвы после прохода рабочего- органа. А показатели формообразования борозды (воны крошения1 в поперечном сечении) и степень крошении почвы являются' основными показателями, которые характеризуют технологический* результат работы того или иного рабочего органа;

Таким- образом, математическое описание технологических основ деформации- и разрушения почвы сводится к исследовали» параметров следующей зависимости в'явном виде:

бхуг - Ф(УАэтн,У,«ор.Х.УД). (63)

где бХуз - равнодействующее напряжение в отдельно1 взятых- точках исследуемого ограниченного массива1 иоделируе-; ' мой почвы;

Уотн - относительная влажность моделируемой почвы;

V - скорость движения рабочего органа;

«ор - обобщенный геометрический1 показатель поверхности рабочего органа;

Х.У.г - декартовые координаты точки в массиве моделируемой почвы, в которой' определяется' равнодействующее напряжение бху~.

Предварительно определив параметры фушсции- (53) ,. можно о ее поиощыо получить основные агротехнологические характеристики работы того или иного рабочего органа, разумеется, для тех условий и режимов- работы, для которых получена вышеназванная функция. Расчет этих характеристик, в число которых входят геометрические параметры поперечного сечения борозды и крошение почвы, можно провести следующим путем.

Для удобства в дальнейших выкладках зависимость (63) перепишем в следующем виде:

+1(бхУ2.Иотя.У.0Сор) - -ЫХ.У.г). (64)

Подставляя в левую часть этой формулы конкретные величины (в пределах возможных значений) равнодействующего напряжения бху2, относительной влажности Уотн. скорости движения V и

обсйкешгого геометрического показателя .рабочей поверхности «ор ¡рабочего органа очевидно получим уравнение, котороэ описывает вышеназванные эквинапряженные поверхности. Таким образом, -можно записать уравнение этих поверхностей в следующем ¡эдэ-:

4>3(X.Y.Z) - const. (50)

Поочередно репая полученное уравнение относительно X.Y, и Z ¡получим массивы координат, которые и описывают эквинапря-кеннш поверхности при деформации и разруиении массива моделируемой ¡почвы исследуемым рабочим органом. Очевидно, что-полученные массивы координат будут описывать неразрывные поверхности определенной геометрической формы и путем многомерного регрессионного анализа эти массивы можно привести в удобный для расчетов вид.

Для того, чтобы получить агротехнологичесгаге характеристики процесса деформации и разрушения почвы рабочими органами, имея семейство уравнений для эквннапряаепных поверхностей! цопю сре;:п них выделить те, которые описывают поверхности скольжения -или те, которые описывают места, где происходит локальная консолидация массива почвы. Определяющим при атом является постоянное значение равнодействующего напряжения. Ecmii величина этого напряжения вкзе некоторого допустимого значения, то по этой эквчнапряжешгой поверхности происходит раэру-кение связей массива почва и в следующий -момент времени величина постоянной составлявшей напряжений по этой поверхности уменьшится до уровня сил трения к в некоторых случаях практически до нуля.

Таким образом. имея семейство уравнений эгашапрякенныя поверхностей для всех возможных точек графика напряжения от перемещений, v.omo рассчитать г-ском-.-е агротехнодогическио характеристики ввааюдейстЕИЯ исследуемого рабочего органа на определенном участке пути.

•.; Прежде чем переходить к изложению следующего раздела не-оС :одк.!о отметить, что во время взаимодействия рабочего орга-.па с почвой будут моменты. ¡ггда ".акие то возможные величины напряжений будут отсутствовать и при этом искомые численные пара>,гетры уравнения (Б5) сведутся к нулю. Кроме того, поросе-че у.е эквинаг^яжепных поверхностей с величиной напряжений превышающих допустимое значение с какими же поверхностями или

с граничными поверхностями, например,с дневной поверхностью массива почвы или со стенкой борозды впереди идущего рабочего органа и дают нам количественное представление о геометрических параметрах разрушения массива почвы, суммируя которые на зачетном участке движения рабочего органа,можно подучить массивы этих данных. При достаточной длине 1-ччетных участков статистической обработкой полученных массивов данных можно определить математическое ожидание геометрических параметров поперечного сечения борозды, законы распределения фракций комков и степени крошения почвы и т.д. в соответствии с конкретной целью исследований.

Следует отметить, что рассмотрение механико - технологических основ как двух отдельных функциональных групп (технологическая и механическая) условно, и сделано для облегчения изложения полученных в настоящей работе зависимостей этих двух основополагающих моментов работы рабочих органов.

Законы, управляющие силовыми характеристиками, которыми сопровождаются процессы деформации и разрушения почв, в целом должны составить механическую основу при расчете, оптимизации и проектировании рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин. Силовые характеристики являются основными показателями, которые характеризуют и обуславливают затраты энергии на выполнение технологических процессов тем или иным рабочим органом. Из этого следует., что исследование механических основ выполнения технологических процессов деформации и разрушения массива почвы, в принципе, должно сводиться к изучению возникновения и распространения полей перемещений в массиве почвы и соответствующих полей сил.

На основе уравнения (63) запишем выражение для определения поля давления, которое распределено по рабочей поверхности исследуемого рабочего органа:

буД - ^(Уотн.У.сСор.Хр.Ур.гр), (Ь6)

где Хр, Ур. 2Р - координаты поверхности погруженной в почву части рабочего органа. Предположим, рабочая поверхность исследуемого нами рабочего органа описывается следующим уравнением в явном виде: X - Грп(г.У). (57)

В соответствии с уравнениями (56) и (57) определим равнодействующую силу, которая действует на рабочий орган, при

sro гдаэсошш з noiae па глуб:шо h. слодуводаил уравненною:

бСуД

fîZ > ^ 3Y -О

у.д "* '!> (V/отя.V.cfcp.Xp.Yp.Zp) -

Mf .«.(W-f рп(Х)]

/* (if) * (—■) (59)

D

глэ D •• область, которая ограничивается следующая кривыми: Z - h0; Z - 0;

Y - Г'рП(Х); Y - f"pr,(X).

Tara?» сбравом, получены выратения для определена crjo-п:х яг.рпгсгермотга: выполнения технологических процессов гсбо-"•■чгл ергелачя. 'Роеумоется, уразнепкя (68) и (69) пригодны дат •,рс.аи&тов ъош'о поело определения паргметров Функции (об).

У'и Г.В2Я особуэ слагскость .расчетов ¡."шряг,енно - деферг/н-ровакного состочнкя массива j-одели почвы в соответстапг с 'гл-тематачоекзгм оС,лспечз!ПК'Н, • рдзработелноо прогрглпяюе обесточен«) для реализации р?ючетов основано на диалоговой нояст:з-тс^з. , Псдсгстсма охватувас? достаточно сгфОкиЛ туг рзяеемж гж^здикк --¡ядоя ;т диапазоны ввода исходи« дадних. которые 'ccoîBSTCTBi")? ?ш?ервала>.< яргумзнтов составл.тюлях рзотетиоз "Лсо описана фунгагай.

Д31 rr-T^'opa проведем »п'слоннсе исследование процесса дв-■.Ъуъггл а гг.оруцоянч сгршитчопного объема почвы :-п ??рооЗ-гте'-л'те!). Ecoue» слсдувдн, кроетан бнэтеякя гес:го?рз-пссййго сш:с-:ппп п^р^'П'алыэтго чс-ренкозого рзео-его ергглг:

- 0 :<ч;

Y - -10.. ДО (сО}

2 - 0.. .GO ;«<.

Трактор;:» двшепкя рзбо^го ергааа яергктеркзуек kgï

Щ'.етхстаеГ.му» « равнсг>'.ернув с окоростьп Y - 1 и/с:

• - :• -Ж;

YtKiC - Y*~; (SI)

zt+:,it „ zt_

?дэ.1селшьнуп глубину кода з соответствии с спстс «jft (50) нркуем h - 00

- 34 -

Величину влажности почвы приравняем 14Z. Размеры исследуемого объема почвы примем Ц*х - 300 мм; Цду - 400 мм; U,2 -200 мм. Радиус шарообразных элементов для оструктуренной глинистой почвы примем равным Б мм.'

В соответствии с перечисленными выше исходными данными сформируем систему шарообразных элементов разбиением рассматриваемого ограниченного объема почвы на шарообразные элементы и рассчитаем координаты их центров. Далее в соответствии о разработанной методикой рассчитаем переменные параметры уравнений свяви элементов и сформируем систему шарообразных элементов.

График твердости1 модели почвы, как ее прочностной характеристики сопротивления внедрению эталонного деформатора с площадью сечения 1 см2, представлен на рис.8. Как видно иа графика' полученные значения для твердости сформированной системы шарообразных элементов хорошо согласуются с эмпирической зависимость*), параметры которой были рассчитаны статистической обработкой' многочисленных экспериментальных данных.

На рис. 9 представлено изображение продольно-вертикального сечения этой системы при значении Y - 0. На рисунке также показаны рассчитанные два граничных суперэлемента Si и S2. Необходимость их наличия при расчетах процесса взаимодействия системы рабочий орган - модель почвы обусловлена тем. что в противном случае пришлось бы взять слишком высокую протяженность системы элементов по направлению всех трех осей координат для того, чтобы обеспечить достаточную жесткость системы в целом' по этим направлениям в соответствии с бесконечной' протяженностью этих величин в реальных условиях. Как видно ив рисунка, рабочий орган находится в контакте с 8 элементами в рассматриваемом сечении массива.

На рис. 10 представлена рассматриваемая модель почвы при' перемещении рабочего органа на Б мм. В результате перемещения рабочего органа, как видно из рисунка, шарообразные элементы, которые имели непосредственный контакт с рабочей поверхностью переместились горизонтально и обозначилось начало трещины, а также область распространения дефоомаций и напряжений. На рис. 11 и 12. представлены равновесные состояния модели почвы с выполнением принципов минимума дополнительной работы и минимума возможных перемещений при перемещении рабочего органа

Рис.8. зависимость твердости модели почвы от глубины хо-

да хода эталонного деформатсра.

Рис.9. Продольно - вертикальное сечение модели почвы при и - о.

Рис.ю; Продольно - вертикальное срчлгшо одели почьы

при и - 6 мм;

Рис.И. Продольно - вертикальное сечение модели почвы при • и- ю мм.

на различную вел тину. Следует отметить, что перед рабочим органом, после его перемещения на 14 им. образовалось четко обозначенное уплотненное ядро. Это ядро в продольно - вертикальной плоскости имело конический вид протяженностью 70 мм и основанием 80 мм. Далее это ядро сохраняло свои геометрические параметры с незначительным увеличением размеров.

Силы (горизонтальная составляющая - К*. вертикальная -!?2> боковая - Ру, равнодействующая Ю, действующие на рабочий орган графически показаны на рис.13. Как видно из колебаний сил. установившийся режим перемещения рабочего органа насту-, пил после его движения на 17.С см. Кроме того, заметим, что засономерность получения многократными экспериментальными исследованиями о переменной (периодической) слагающей сил сопротивления при расчетах этих сил с использованием разработанной модели сохраняется. На это указывает цикличность полученной реализации по тяговому сопротивлению , что обуславливается цикличес:сим характером деформации модели почвы под воздействием рабочего органа.

На рис.14 представлено распределение вертикально - про-дольког сечения эквиналряженных поверхностей (в тт/сн2) внутри массива модэли почвы перед рабочим органом, соотвотс- . твующий перемещении и - 2,2 см. Полученная картина распределения эквинапряженпых поверхностей в продольно - вертикальной плоскости достаточно хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований, которые были получены А.Д.Далнкиы при изучении линий равного давления внутри массива почвы по- ■ ред рабочим органом. Возттность определения картины распределения напряжений в почве при работе рабочего органа .и, паб— лодае!дд при этом перемещений структурных отдолыюстей, позволяет более полно оценить наеденный в процессе расчетов заксг.з деформации и разрушения почвы.

На рис. 16 представлен график зависимости горизонтальной •составляющей скорости распространения напряжений Ух,в массиве модели почвы от величины перемещения рабочего органа Частота газангс анга времени для рычисенкг. этой скорости составила 400 Гц, т.е. вычисх ния производились через-каждые 0.0025 сек. Мгюзимальная величина горизонтальной, состаагякг&й агоости расг^острэненил напрягший внутри массива моде'ли-почвы составила 13,2 м/с, минимал^лая 5,41. и/с. Полученные

РИС-. К. Продольно - вертикальное сечение модели почвы при Le - 14 мм.

Рис.13. Зависимость силовых характеристик вертикального черенкового ножа от его перемещения.

Рис.14. 'Распределение эквинапряженных поверхностей •внутри массива 'Модели почвы перед рабочим органом.

! \

ц... V / •л

гг 1 у \/

1.1 2 V ...........*> \

1

! ч гигпэткг.

ЭЛ)

5,5 1.0

3.3

л„д

«ав"симость сырости распространения напряжений внутри массива модели почвы от г 'рсмецония рабочего оргглд.

величины скорости распространения напряжений внутри массива почвы хорошо согласуются с данными исследований В.В.Кацыгина, Г.А.Деграфа, В.А.Юзбапева. В.И.Виноградова и др.

Таким образом» примененяя разработанную нами реализацию метода конечных элементов, можно определять силовые характеристик рабочих органов и параметры деформации и разрушения модели почвы-

В четвертой главе, посвященной практическим расчетам силовых характеристик различных рабочих органов в зависимости от их геометрических параметров, условий и режимов работы, представлен сравнительный анализ полученных расчетных данных с экспериментальными данными различных авторов и оценка достоверности разработанного математического и программного ооеспечения.

При изучении процессов взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин, имеются два преимущественных направления: это расчет силовых характеристик рабочих органов и второе, зто когда главное внимание уделяется процессам возникновения и развития напряжений и перемещений в массиве почвы в результате воздействия на нее теми или иными рабочими органами. В целом оба направления имеют конечной целью установление зависимостей силовых характеристик рабочих органов с различными геометрическими параметрами и в различных условиях и режимах работы.

Как было отмечено выше» наш предложена математическая модель для определения силовых и агротехнологическнх характеристик взаимодействия рабочих органов с почвой. Одной из основных 8адач работы было установление степени достоверности получаемых использованием предложенной математической модели результатов по этим характеристикам. С этой целью нами было рассмотрено влияние основных факторов (ширины захвата,, глубины хода, угла крошения, скорости деформатора, а также физи-ко-ызханических свойств почвы) на силовые характеристики различных рабочих органов и деформаторов. Расчетное ядро для расчетов силовых к агротехнологическнх характеристик процесса взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин о почвой реализовано программным обеспечением на языке Turbo С++ (для ПЭВМ класса IBM PC ХТ/АТ).

. На основании сравнительного анализа полученных расчетных

¡данных с опыткъсш данными Синеокова Г.Н.. Зеленина Л.Н., Бах-i типа П.У., Виноградова В.И.. Подскребко М.Д., Маяускаса И.О./ ;Шушкевкча Г.А., Еагирова И.З. и др., устаиовлено, что посредством разработанной в настоящей работе математической колени деформации и разрушения почвы. можо с достаточной дос-j товерностью проводить расчеты силовых характеристик рабочих ¡органов почвообрабатывающих и посевных мачпш. Среднее отклонение расчетных данных от экспериментальных не превысило 10%. ! В пятой главе представлены результаты расчетов осноеных jагротехнологических характеристик взаимодействия рабочих органов с псчвой и сравнительный анализ'этих данных с экспери-!ментальными данными различных авторов.

¡ В качестве основных технологических характеристик нами ' приняты формообразование борозды и степень кроиения почвы |после прохода рабочего органа, которые в принципе содержат в ;себе влияние всех факторов, ¡соторые действуют на результаты взаимодействия рабочего органа с почвой. Очевидно, что исследование именно этих конечных показателей представляет наибольший интерес для рассмотрения достоверности работы разра-ботанно. о hej.ni расчетного ядра при определении технологических характеристик.

Для проверю! получаемые с использованием предложенной, .математической модели технологически характеристик рабочих1 органов нами рассчитаны парзуетры по формообразованию борозды при работе зертикадьного черенкового сонника (рис. 16) и кро-сение почвы стрельчатой лапой культиватора КПН-2 (рис. 17). полученные расчетные данные сравнивались с результатами подобных экспериментальных исследований С-едкна А. П. и Нутевича К.И. Посредствои этого сравнительного анализа установлено, ¡что разработанная модель почвы ее деформации и разрушения .рабочими органами позволяет расчетным путем с достаточной достоверностью определять параметры формообразования попереч-'ного сечония борозды и крошение почеы после прохода рабочего oí .-ала.

• ; Шестая глава работы пос^ящегл рыработке методологии, рабочих алгоритмов и прогрг-'мюго обеспечения многокритериальной оптимизации иэраметров и автоматизированного проекти-рс: ашш рабоч: : органов почвообрабатывающих и посевных магии.

Основой практически всех задач, связанных с расчетом.

а

Рис. 16. Продольно ■• вертикальное сечение иодеди почвы при действии ва нее черенкового вертикального сошника.

Рис.17. Вертикально - продольное сечение ыодели почвы при действии на нее стрельчатой лапы культиватора КПН - 2,

оптимизацией параметров и проектированием поверхностей рабочих органов почвообрабатывающих и посевных малаш является изучение или прогнозирование поведения почвы под воздействием тех иди 1шых вариантов рабочих органов с определенными режимами работы, т.о. почва является объектом исследований и ее отклик по сути и составляет предмет целевых функций оптимизации.

Создание математической модели почвы и процессов ее 'деформации и раэрупения рабочими органами хотя и является само по себе важной научной задачей, имеющей принципиальное значение. ко з то ке время это только исходная бава для главной! задачи - раэработга методологии расчета, оптимизации и авто-; маткзнровзш'ого проецирования рабочих органов почвсобрабаты-вех'-ул и посевных маззш и их параметрических рядов. Причиной этого является то, что математическое описание модели почвы не могат содержать алгоритмы репения тех или иных конкретных ггдач земледельческой механики, направленных на расчет и про-ект!-рс20.!П"з рабочих органов для различных технологически целей. Поэтому катематическуя модель почвы ии рассматривали как' основу первоначальный материал для исследования ее деформа-ц:ш и раврупеиня в равлиадшх аспектах и целях.

Прэждо чем переходить.к.разработке численного метода для сптшаэац-оппого поксзса нами были проанализировали ряд известных методов. В тх число входят методы исследования многомерных функций Хуга - Дживса, Дааидона - Пауэлла - йлетчера, Глетчера - йпзса, симплекс мзтод Неддера-Мяда, наискорейшего спуска, Ньптока и пр. Апалиа этих методов базировался в основной на точности и ксличествэ итераций,'аеобходиных для на-хсиеняя псмкдвс значений параметров исследуемой целевой ЛуЯТОШ.

3 результате с-того алатаза было установлено, что аакбо-лзе эЗФектшааа являются метода Иелдера - и Хука -

'Зясзса. Б соответствии о особенностями поставленных з запей !ргботе прдач, пгки был разработай гпСридгшй метод, который 'основан на итии методах.

В целом азгопктч рпСоя (рис. 18) 1ялаиекса г.'лтеиатпчес-тего л прсграсжсго сбе-спгчевкя лая расчета. оппаснэацгет ва-рсотрсз л озтсматксировслюго проггситозапия г-еключяегся з следущгм:

матизированного проектирования рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин.

- 46 -

1) Запись аналоговых сигналов данных экспериментальных исследований на магнитную ленту магнитографа (блоки 1-2); : 2) Квантование и преобразование в цифровые записанных аналоговых данных на ПЭВМ IBM PC (XT/AT) (блоки 2-5); i 3) Расчет данных по силовым и технологическим харззгге-рмстикам исследуемого рабочего органа в соответствии с конкретным рядом исходных дачных с помощью разработанного расчетного ядра FE.FS и запись результатов вычислений на НМД ПсЕМ.

Заметим, что в целом работа по расчету, оптимизации параметров и автоматизированному проектированию рабочих органов может взять свое начало из двух самостоятельных источников (блок 1-эксперименты в почвенном канале или блок 11 - расчетные данные полученные посредством программного обеспечения FEMFS) или же в сочетании друг с другом.

4) Разметка границ вон рациональных или возможных значений аргументов (блек 7)

6) Коррекция массивов числовых данных (блок 8);

7) Оптимизационный и регрессиошшй анализ массив сз числовых данных программным обеспечением (блок 9);

! 8) .»втоматизированное Формирование математически моделей по результатам вычислений (блок 10);

9) Автоматизированное ■ проектирование рабочга органов почвообрабатывающее и посевных машин (блоки 12 - 14).

Теоретическая и вычислительная организация (конфигурирование) вычислений по расчету, оптимизации параметров н автоматизированному проектирования поверхностей рабочга органсз нами описана яа основе примера проектирования гофрированного дискового рабочего органа.

После Формирования математзпеазой подмодели рабочей поверхности проведены расчеты массива данных поверхности дискового нота с требуемой точностью для дальнейшего использования, например необходимого при изготовлен™ технологически) ■оборудования (штампов) н т.д. Визуальная оценка результатов вьпислений и подготовка технической документации проводится .выводом на „исплой или на граг^пос-роитель (рис. IS).

В результате расчетов .аэработаны шесть параметрических рядов для рчдиалымх и кр"волинейных гофрированных дискосы* рабочих оргаг'в, для зон избыточной, умеренной влажности и аасушлив!« районов, а также для кр/пностебелькых и'ыелкосте-

рЛ-

о>

Рис.19. Автоматизированное проектирование гофрированного дискового рабочего органа.

бельных фоноз. В параметрических рядах уст^гоьлени оптимальные величины типоразмеров, которые являются определителями рабочей поверхности гофрированных дисковых рабочих органов.

В седьмой главе представлена практическая реализация и ■ техшпсо - экономическая оценка применения результатов исследований.

Посредством разработанной математической модели для расчета, многокритериальной оптимизации и автоматизированного проектирования рабочих органов почвообрабатывающих и посевных •малин обоснованы геометрическая форма и параметры ряда почво-обрабатыватаз« рабочих органов для майя основной обработки почвы - рыхлителя РЧЛ-5- 50, плугов ПФ-2 и ПТТ-4-40, маиил :предпосевной обработки почвы - комбинированной дисковой бороны БДК-о и секционного выравнивающего приспособления ПВС-1 и ; машин для посева - сеялок СЗПП-4 и СЗШ-8. Установлено, что применение математической модели для расчета, оптимизации параметров и автоматизированного проектирования позволяет снизить затраты на проегаировочные и предварительные испытатель-,пне работы при создании новых рабочих органов на <10.. .70%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В результате выполненных. исследований разработана математическая модель почвы и ее деформации, созданы методология' и рабочие алгоритма расчета и оптимизации параметров рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин, позволяющие на стадии проектирования прогнозировать силовые и агротехнологи-¡чоскив хсракгеристкки выполняемых операций. Посредством разработанной математической модели автоматизированного проектирования создало повое поколение рабочих органов почвообраба-.•пякетзя и посевных изшш, котор э позволяют повысить надежность и ::глество выполнения технологических операций и опи-.с:;ть та энергоемкость.

\ На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований сформулированы следующие выводи: ; 1. Лнаг "з состояния вопроса по иауч.;шпз неханига - техко-;логических сснсв теории дефсмсцш почвы показал, что наиболее .ясрснективним является научное направление, представляю-ИОЧБУ КаК ^СКрвТНуП ироду С упруго - ЕК-»К0 - пластичес- ■

сгойствами. Применительно к здапам земледельческой но-

ханики наиболее точная реализация этого направления1 может Оьгть осуществлена использованием адаптированного метода нв^ нечных элементов. '

2. Для определения силовых и агротехнологических характеристик процесса взаимодействия рабочих органов почвообрабат, тывающих и посевных машин посредством адаптированного метода конечных элементов наиболее эффективным является представле-, ние модели почвы в виде совокупности шарообразных элементов,: которые соединены между собой связями, обладающими прочностными характеристиками, выражающими интегральные прочностные, характеристики почвы: Принятый случайный характер распределен нип прочности этих связей позволил сформировать анизотропную синель почвы, которая максимально приближена по своим свойс-: твам' к реальной почве..'

3. Для практической реализации адаптированного метода конечных элементов с целью изучения деформации почвы рабочими оргапшк необходимо и достаточно определение параметрои зависимостей следующих физико - механических свойств почвы: влажность, липкость, твердость, плотность, коэффициенты внутреннего »г внешнего трения, сцепление и сопротивление сдвигу. Указанные свойства почвы выражены в виде эмпирических зависимостей, параметры которых нами рассчитаны путем регрессионного анализа многочисленных экспериментальных данных различных авторов1.

4. Исследование полей сил и деформаций в массиве разработанной модели почвы можно вести тремя основными способами: волновым, статическим и динамическим. С наибольшим эффектом в смысле полноты к точности получаемых результатов целесообразно использование динамического способа с некоторыми элементами статического, т.е. исследованием динамического равновесия системы ■ структурных отдельностей с применением принципа Д'Алакбера с учетом сил инерции.

Б. Проведенными исследованиями пространственного напряженно - деформированного состояния массива почвы, установлена зависимость для определения величин поперечных (продольных) компонентов напряжений от действующих напряжений. Эта 8ависи-мость позволяет определить напряженно - деформированное состояние массива^ почвы бее традиционного предварительного экспериментального' определения коэффициента Пуассона и ее досто-

верность подтверждена сравнительным анализом результатов вычислений с опытней данными.

0. Условие прочности Кулона - Мора основано на допущении о сплошности среди, хотя и учитывает сцепление ме;эду ее составляющими частицами, что приводит к значительным отклонениям .расчетных данных от опытных. Лля устранения этого недостатка необходимо ввести учет твердости составляющих структурных от-дел>иостей. В результате исследования распространения напряжений внутри массива модели почвы с учетом этого положения установлено, что верхний предел возникающих в почве нормальных и касательных напряжений при ее растяжении, сдвиге, не-■ компрессионном сжатии или комбинации этих видов деформаций .ограничивается максимальной величиной сцепления между ее структуры' с.г,т отдель неетяш.

7. Исследованиями сгаового взаимодействия структурных стдельностей модели почвы между собой и структурных отдель-ностей модели почвы с контактной (рабочей) поверхностью рабочих органов установлено:

а) относительнее движение и трение структур!;!« отдель-ностей "гхду собой происходит не только после полного разрушения связи мег.ду ними, но и в ходе процесса деформации этих1 связей и з соответствии с этим необходим учет сил трэния непосредственно в уравнении связи структурных отдельнсстей?

б) процесс трения почвы о контактную (рабочую) поверх-. ность рабочих органов обуславливается взаимодействие!! ее частиц в ходе их относительного движения по рассматриваемой поверхности и это относительное движение сопровождается силами взаимодействия частил почвы и рабочей поверхности другого характера - липкость», т.е. усилие прилипания почвы к рабочей поверхности :и:еет место тогда, I ,тда самого процесса оалипа-кия практически не происходит. В соответствии с этим необходим учет сил прилипания в уравнениях, связи струотурных от-

.дол.постеЛ с рабочей поверхностью.

8. В результате расчетов по исходным данным экспёримен-. талышх ис :едовапяй, проведенных раз. .иными авторами, полутени силовые характеристики ~>ида рабочих органов и дефоркато-ров для различны;? геометрических параметров, условий и режиме^ работы, р т.ч. в знг'исгности от стоки*. захвата, глубитс хода, угла ориентации поверхности, скорости дв.чкенкг и струи-

тури распределения давления почвы на поверхности рабочих органов и при этом среднее отклонение расчетных данных от экс-| периментальных не превысило 10 X. Проведенные расчеты скорости распространения напряжений внутри массива модели почвы показали, что ее величина колеблется в пределах 6,4 - 13,2 м/с. Сравнительный анализ этих результатов с опытными данными других исследователей подтвердили их достоверность.

9. Разработанная адаптированная к задачах« земледельческой механики реализация метода конечных элементов для исследования в "диалоговом режиме на ЭВМ деформации почвы и полей сил и перемещений внутри ее массива, позволяет визуализировать процесс деформации почвы и исследовать явления, которые происходят внутри массива (возникновение и развитие трещин, образование уплотненных ядер, застойных зон и пр.) при ее взаимодействии с поверхностью рабочих органов.

10. Расширена область практического применения адаптиро-, ванного метода конечных элементов дополнительной возможностью определения расчетным путем агротехнологических характеристик процесса деформации почвы рабочими органами почвообрабатывающих и посевных машин. При проведении контрольных вычислений этих покавателей среднее отклонение расчетных геометрических параметров поперечного сечения борозды от опытных составило 21,9 X,. а по крошению почвы - 3,2 X.

11. Разработанная математическая модель почвы и ее деформации охватывает достаточно широкий круг решаемых прикладных задач и может быть использовала для исследования различных типов рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин. Проведенными вычислениями силовых и агротехнологических характеристик взаимодействия рабочих органов ряда почвообрабатывающих и посевных машин и сравнением полученных расчетных данных с опытным» подтверждена достоверность принятой рабочей гипотезы.

12. На базе методов Нелдера - Мида и Хука - Дживса разработан комбинированный метод для многокритериальной оптимизации. С использованием этого метода, на основе предложенной нами математической модели почвы и ее деформации разработана математическая модель для расчета, оптимизации параметров и автоматизированного проектирования рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин, которая позволила обосновать ге-

ометрическую форму и параметров ряда рабочгс< органов для машин основной обраЗотют почвы РЧЛ-5-60 (а.с. 1727551). П-'-г (а.с. 1428240) и 1ГГТ-4-40 (положительное решение ВЬПМГПЭ на заявку 4862180 /15). предпосевной подготовки почвы ЕЛК - 5 ¡(подана заявка) и ПВО - 1 (подана заявка) и посева СЗПП-4 и СЗПП-8 (а.с. 1339706. 1-128240).

13. Разработанная методика расчета, оптимизации параметров и автоматизированного проектирования рабочих органов приняты НПО "МП" (г.Кировоград), СКВ "Педшюградсельмаш" и другими проектно - конструкторскими организациями для использования при реализации новых технологий и совершенствовании существующее рабочих органов для обработал почвы и посева, а также учабнкш институтами для юс использования в учебном процессе.

14. Анализ технико-экономической эффективности использования разработанной методики показал, что она обеспечивает снижение затрат на исследование и разработку рабочих органов на 40...70 X. Годовой экономический аффект от использования результатов исследований на малинах для основной обработки почвы рч"-5-Б0 (чиэелышй рыхлитель), ПФ-2 (фронтальный плуг) и ПТТ-4.-40 (плуг - "тяни - толкай"), для предпосевной подготовки почвы ЕЛК - 5 (борона.дчс!®вая комбинироваппая) и ПВО -1 (приспособление выравнивающее секционное) и для посева СЗПП-4 и СБПП-8 (сеялка зерновая прямого посева) составляет 38900 руб. з год, а ожидаемый - 0,84 млн. руб. на первый гсд серийного выпуска машин ( в ценах 1092 г.).

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Имамов И.С. Технические с.«детва для реаяиващт технологии прямого посева.\\ Актуальные проблемы повышения технического уровня ».¡ашин: Сб. Тс в. докл. Всесоюзной научно -¡■охи. конференции. \EKCXCM. М.: ВИСХМ. 1086. с. 31-36

2. Имсмсв И.О. Равработ!са нового рабочего органа для улучшения кг юстза процесса босоздообра звания. \\ Соиераеяс-тйсвание мэтин и рабочих органов для производства корнеклубнеплодов- и свошей: Сб. науч. тр.\ В"СХ0М. М.:ВЯСХ0Ч, 1937, с.13-16. с.

3. Пмамсп Я.С.. Минин В.И., "кгоренко В.А. Силовые ха-

рактеристики рабочих органов сеялки для прямого посева.-Руко-j пись деп. в ЦШПЭИТракторосельхоамаш.-М. ,1987.-4 с. (N 892: ТС-87). '

4. Имамов И.С. Рабочие органы Берцовых сеялок для прямо-; го посева.-Рукопись деп. в ЦНИИТЭИТракторосе'ьхозмая.-М..1987I .- 6 с. (N-891 тс-87). !

б. Имамов И.С., Юзбашев В.А.. Любушко Н.И.. Хорунженко В.Е. К вопросу взаимодействия дискового ножа с почвой.-Руко-| пись деп. в ЦНШЗИТракторосельхозиаи.-М. ,1987.-8 с. (N 693; ТС-87).

6. A.c. N 1389706 (СССР), МКИ А 01 С 7/20. Дисковый рабочий орган / Гусев В.М.. Имамов И.С., Хорунженко В.Е. и др.

7. A.c. N 1428240 (СССР), МКИ А 01 С 7/20. Дисковый рабочий орган / Юзбашев В.А'., Лобушко Н.И.. Имамов И.С. и др.

8. A.C. N 1429955 (СССР). МКИ А 01 В 49/06, А 01 С 7/20. Комбинированный рабочий орган / Юзбашев В.А.. Любушко Н.И.. Имамов И'.С. и др.

9. Любушко Н.И., Мишин В.И., Имамов И.С. Исследование рабочих органов зерновых сеялок для прямого посева.\\ Исследование и разработка почвообрабатывающих И' посевных ма-: иин:Сб.науч.тр.\ ВИСХОМ.-М.:ВИСХ0М; 1988.-е. 139-145.

10. A.C. N 1651865 (СССР). МКИ А 01 С 7/20. СОШНИК / Имамов И'.С., Юзбашев В.А., Любушко Н.И. и др.

11'. A.C. N 1Б61898 (СССР). МКИ А 01' G 5/00. 13/02. Kou-В^жированный рабочий орган для обрезки и заделки пленочного 'фффытия / Гусев В.М.. Имамов И.С., Юзбашев В.А. и др.

12. A.c. N 1571444 (СССР). МКИ Q Ol I. 6/16. Динамометрический диск / Имамов И.С., Юзбашев-В.А.. Любушко Н.И. и др.

13. Имамов И.С. Определение некоторых параметров рабочей' поверхности гофрированного дискового ножа.\\ Актуальные вопросы создания машин для внесения удобрений и защиты растений: Сб.науч.тр.\ ВИСХОМ.- М.:ВИСХОМ. 1988.- С. 76-83.

14. Имамов И.С. Исследование процесса взаимодействия поверхности гофрированного дискового ножа с почвой.\\ Агрегатирование сельскохозяйственной техники.: Сб.науч.тр.\ ВИСХШ.-М.:ВИСХ0М, 1989.- с. Б7-63.

16. Любушко Н.И., Имамов И.С., Мишин В.И. Зернотукотра-вяная сеялка прямого посева СЗПП - 4.W Тракторы и сельхозмашины,- N 7, 1989.

- 53 -

16. Имамов И.О. К вопросу создаши единой методики расчета и математичеассй модели для автоматизированного проектирования рабочих поверхностей днсгеэвых рабочих органов. WWexa-низация и автоматизация технологических процессов а агропромышленной комплексе.\ Часть 1. Совершенствование маишшых технологий и гомплексов для растениеводства. : Сб. тез. доки Л ВИМ.- М.: БИМ, 1989.-с.41-42

17. Имамов И.О. К вопросу деформацш почвы гофрированным дисковым нотам.\\ Автоматический контроль и сигнализация в сельскохозяйственных малинах.: Сб.науч.тр. ЧВИСХОМ.- М.: ВИСКОМ, 1989. -с.89-94.

18. Имамов И.О. Основные положения к создан™ математической модели для автоматизированного проектирования дискових рабочих органов,\\ Исследование процессов и рабочих органов магин для убсрки зерновых культур и послеуборочной обработки зерна. : Сб.науч.тр.\EKCXDM.-M. : BîfCXOM. 1S89.-с. 130-135.

19. Икгмов И.С., Юзбаг:ез В.А., Гусеэ В.Н. Лвтоматиз:?ро-зат:нсо проектирование рабочих поверхностей гофрированных дисковых пожеЯ. WTpracropu и сельхогкяпинн, H 4, 1S30.C.1C-17.

£0 А.с. M 1074717 (СССР). НКИ Л 01 С 5/04. Заделочно -пргасатыза'о^еэ устройство / Кмечов И.С.. Юзбгпез D.A., Рузаева A.M. и др.

21. А.с. N 1727661 (СССР), Ш Л 01 В 23/00. Дисковый рабочий орган / Касмов U.C., «збагев В.А.. Гусев В.М. и др.

22. Имамов ïi.c. Некоторые физкко-кехгничеасие характе-pt:cTincî почвы irait среды ¿юздействга при ее деформации д:юг,с-г.ыми рабочими српг'ачиЛЧ Исследосслга и разработка почвосб-рабатывахгдкх и посешои иазин.гСЗ. иауч. чр. ЧЕИСКСМ. -И. :БШЗ->EM,1GG0.-с.102-118.

23. Кчамов И.С., Ягйаггов В. Анализ силовой загруженности дпекезж рабочих сргавозЛЧ Теоретические и техполегк-чесяае оспогы посева ссяьс>.:охс8пйстЕенкж культур.: Сб. пауч. тр., т. 1.24.~ М.: В)?м„ 1990, с.87-93.

21. йаачэв И.О. Расчет, сптЕМпеация параметров и автоматизировали э прсекг/роартя ррЗочпх ор. зпев для прямого посева.- Рукопись деп. я ЦШПоГ1автссол.яссУЗЗ.-Н. ,1092.-2170. (пмзг тс-an

20. KjcCcpsb В.л. , Ич-л-сз U.C., Erac/л З.Н. др. Ргбочы ергая плуга. \\ ПояоЕят.репенке ВНГ1ГПЭ на иязку И 4852160/16

от 2Т.08.90

26. Имамов И.С. К созданию математической модели деформирования и разрушения почвы рабочими органами почвообрабатывающих машин.//Улучшение условий труда операторов сельскохозяйственных машин:Сб.науч.тр. /НПО ВИС"ОМ.-М..НПО ВИС-ХОМ;1991.-с.70-79

27. Имамов К.С. Сформирование математических моделей на базе экспериментальных данных технологических процессов обработки почвы и посева//Улучшение условий труда операторов сельскохозяйственных машин: СО.науч.тр./НПО БКСХОМ.-М..НПО ВИСХОМ, 1991 .- с. 79-86.

28. A.C. СССР N 16130Б6 (СССР). ЮТ А Ol G 13/00. Меха-ЕС м навески рабочих органов / Имамов И.О.. Гусев В.М.. Коло-бовникова Н.Е. и др.

29. Имамов И.С. Основные предпосылки к созданию математической модели почвы.\\Проблемы конструирования- и технологии производства сельскохозяйственных машин.: Сб. тез. докл Л КИСМ' .- Кировоград, 1991,-0.3-4