автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:теоретические основы экологической совместимости колесных машин с почвой

РостовакиЛ-на-Дону ордена Трудового Краоного Знамени институт сельскохозяйственного машиностроения

На правах рукопиои

Цукуров Алексей Михайлович

УДК 631.431.73:316.2.624.133

теоретические основы экологической сокместишсш

колесных. машн о почвой'

Специальность 05.20.01.-Механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат

диосергащш на ооиокание ученой степени доктора технических-наук

Ростоь-на-Дзну, 199^3

•Робота вийЗ^нона в НовочеркасскоьГШЖенерно-пслиоративном институте

Официальные оппоненты: чч.-корр. ВАСЩШ, доктор технических

наук,профессор Ю.Ф.НОВИКОВ доктор технических наук,профессор Г.Д.ИЖРОк

доктор технических наук,профессор А.С.КУШАРЕВ

Ведущая организация-Шное научно-производственное объединение по гидротехники и мелиорации (НПО"Цгмели-оравдя".Новочеркасск,Ростовская область)

Ьацлга состоится " ^у" _1992г. в часов

на засодшиш специализированного Совета Д.063.27.02 по присуждении ученой степеш доктора наук б Ростовском-на-Дону ордена Трудового ¡фасного Знамени института сельскохозяйственного 1.:аиин0ст£с2шш (РИСШ)

ЛцресгЗ-МТаа.г.Ростов-иалСг^.ГСГИ^.^.Гагзр^циД.ЕХХМ

С даосертацлеЯ 1:012:0 ознакомиться в библиотека института.

Автореферат разослан " ЛЛ) " И.С^Ч'Л. 1992г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ специализированного Совета, доктор технические наук

Ю.И.ЕРМОЛЬЕВ

; 3

' !

:НН?ЧЧ11 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. С расширением области применения машин, в том числе в сельском хозяйстве, ускоряется процесс экологической разбалансированностн среди обитания человека.

Воздействие машин на почву способствует развитию эрозионных процессов; Применение тяжелых энергонасыщенных тракторов и комбайнов ускорило формирование уплотненного слоя в почвенном гор1эонте. Его существование-одна из причин погашения затрат на возделывание сельскохозяйственных культур: тяговое сопротивление возросло в среднем на 25% по следу гусеничных и на 40$ по следу колесных. Существенное превышение указанного уровня создают автомобили и прицепы.

Чрезмерное уплотнение почв в большинстве-зон ведет к снижении их плодородия. Для его поддержания требуются повшешше дозы химических удобрений, что негативно влияет на микробиологические процессы и качество сельскохозяйственной продукции.

Значительный объем экспериментальных исследований, выполненный как в СССР, так и за рубежом! подтвердил существование проблемы, но не раскрыл внутренних, аналитических связей в системе маишна-почва-растеш1е.

Одной из причиц,создавшегося положения служит отставание в развитии теории земледельческой механики в части механики почв.

До настоящего времени для описания реакции почвы на действие опорно-ходовой части машин Используются положения механики грунтов, базирующейся'на теории сплошной среды. Поэтому, при теоретических исследованиях ойстемы нашина-агроценов почвангред-ставляется в виде сплошной, квази-, а чаще, изотропной, 'однородной среды,

В таких исследованиях-це находится места основным оценкам,

присущим только почве: влакность.пориотость, соотношение между

, 11

объемом влаги, газа и скелета» А именно они определяют во многом плодородные свойства почвы.

В соответствии с теорией сплошной среды механические напряжения распространяются в полупространстве на бесконечные расстояния. Поэтому понятие о глубине распространения деформаций заменено понятием "граница сжимаемой толщи". "Граница..."-изолиния, на которой давление равно определенной доле естественного, грунтового.

Если для однородных, несвязных грунтов в условиях строите-ства фундаментов это полокение устрашает строительную практику, тойЕпблъзовать аппарат механики грунтов для почвенного слоя, тесно связанного с температурой и влажностью, возможно лшь в отдельных случаях.

Мезду тем, вопрос о глубине распространения деформаций в почвенном слое-кярчевой вопрос механики почв и расчетной практики; его решение в аналитической форме открнваётдействительную связь мезду характеристикой деформатора, нагрузкой и параметрами состояния почвы.

Некорректность применения положений механики грунтов в исследовании систеш деформатор-почва подтверждается и тем, что для самой механики грунтов до настоящего времени остается только интуитивно объяснимым бифуркационный характер зависимости деформации (осадки) от размера штампа. Минимум деформации имеет

место для грунтов средней плотности под штампом в виде квадрата

р

или круга площадью 0,25м. ; при меньшей площади характер зависимости противоположен.получаемому по теории сплошной ореды.

Земледельческая механика в основном имеет дело именно с

2

малыш штампа™, близкими к площади 0,25 м. , где связь мекду площадью нагрузки и деформацией имеет неустойчивый характер.

Для объективных исследований системы деформатор-почва необходима теоретическая основа механики почв, базирующейся на модели, отражающей не только физико-механические свойства, но я плодородие почви.

Очевидно,что только физичеокая модель почьы позволит представить в аналитическом форме естественние связи маэду характеристикой деооргатора и параметрам оостошшя почвы после воздействия штампа. Решение этой задачи означает решение проблемы защиты почвь от воздействия ходовой части машин, сохранения условий для воснроиз! одства плодородия и существования агроценоза.

Именно в этом и заключается проблема.

Актуальность решения задачи обусловлена тем, что в нем находит отражение связь мемду характеристикой колесной машины и параметрами состояния почвы,что позволяет учитывать влияние машины на экологическую среду какой является почва.

В предотавленной работе на основе взаимодействия элементарных комплексных частиц, образующих объем гидрофизической модели почвы,дано ытисание распределения нагрузки как'по глубине,так и в зоне контакта о жестким,плоским штампом; в качестве основных овойств почвенного полупространства приняты¡анизотропия,неоднородность .диолипаиия энергии. С учетом указанных свойотв получена аналитическая форма'зависимости-глубали погружения1штампа и зоны распространения деформаций от нагрузки и соотояния почвы.

Для исследования системы почва-штамп использован закон сохранения энергии для сложных, незамкнутых неконсервативных оиотем. Последующий переход от указанной системы к новой-почва-шина осуществлен с выполнением условия энергетической эквивалентности,. т,е, равенства затрет энергии.на деформации почвы.

Описание связей в система шина-почва позволило оценить ото-

лень соответствия существующих конструкций колесных тракторов почвенно-экологнческим требованиям.

На основе аналитических связей между нагрузкой, ее площадью и деформацией почвы определено понятие о действительном коэффициенте полезного действия системы почва-машинный агрегат. В свою очередь, это послужило основой для описания принципа согласования состава парка машин с параметрами состояния почвы, изменяющимися в течешь" вегетационного периода развития растений.

С учетом свойства почвы повышать прочность в результате сжатия, разработана эколого-энергетическая концепция оптимальной колесной фэрмулы; ее создание и практическое использование на полях должно существенно замедлить процесс машинной деградации почв.

Определение связей между характеристикой дефорыатора и реакцией почвы создало предпосылки для дополнения существующей модели агроценоза кошм блоком- технологическим.

Работа выполнена е соответствии с планом дсследова!П!й Новочеркасского шкенерно-мелиоратнвпсго института по совершенствованию технологических процессов б мелиорация зшаль (раздел 10.01* п.5).

Цель работы-научное обоснование параметров колесных маплл и порядка их использования с учетом экслого-эконошческих условий сохранения и воспроизводства плодородия почв.

Объект и с с л е до ва мш-н е з а мкну т ы е, неко'нсервативные систеш: почва-штамп, почва-шина.'

Методика исследований. Основной метод-теоретический с использованием экспериментального для проверки отдельных гипотез.

.Приоритетность теоретического метода обусловлена особенностью положения, сложившегося в области земледельческой механики. Б течение ряда десятилетий научными подразделениями проводятся

экспериментальные исследовашш системи почва-штамп, что привело к накоплению экспериментальных материалов. Однако, ввиду их "противоречивости" оказывается невозмо:ашм сформулировать обобщающие выводы и установить качественные и количественные характеристики контакта ходовой части машин и почвы. Трудность решения задачи на основе экспериментальных данных обусловлена недостатком ш^орнацип о состоянии почвы и о размерах зоны распространения деформаций.

Поэтому в предлагаемой работе основным принят' теоретический метод.Для проворю! математической модели системы почва-штамп и синтеза тягового усилия использовался полевой эксперимент.

Научная новизна выполненного -исследования состоит в представлении почвы в взде неконсервативной, гидрофизической, поли-дисперспой энергетической системы, используемой в качестве базы для аналитического описания состояния локального объема почвенного полупространства до и после деформации штампом.

Состояние почвенного полупространства описывается посредством тагах щенок как влажность, коэффициенты пористости, внутреннего и внешнего трения, а такке сцепляет, плйтоссть н соотношение газа, влаги и поверхности-абразивных.частяц, образующих агрегатные цепп,

Лредлолошшя модель обладает свойство!./ плодородия а реакцией на подвод ,!Ш1 отвод энергии, путем изменена*: прочности сцеп-дешш д скорости прогрева.

Математическое описание модели позволяет рассчитать глубину зоны деформаций и закон распределения контактных реактивных сил1,

На основе закона сохранения энергии выполнен переход'от сиотеми почва-штамп к новой системе почва-шина, что дало возмо::;--

ность обнаружить зависимость параметров состояния почвы от веса машны и площади контакта колеса с почвой.

На той яе основе определены положение центра давления ш-ны и характер зависимости параметров качения от сочетания характеристик контактирующих тел.

Отличием от известных подходов в исследовании системы де-форматор-почва является учет способности почвы поЕииать прочность на разрыв з результате скатпя.Возможность учета возникла при рассмотрении мекмолекулярных сил в переходном слое.

Кроме отмеченного, в работе представлены та:ше понятия

как коэффициент полезного действия системы почва-машшный агрегат, иное толкование термина "почвенное полупространство"; использованы такие понятия: свободная агрегатная цепь, шша в глубине полупространства.

Коэффициент полезного действия системы агрегат машин-поч-ва наряду с энергетическими, отражает и экологическое соответствие машин.

В целом, совокупность полученных результатов исследования предстваляют собой альтернативу механике грунтов, а по своей сути-это отдельный фрагмент теоретической ме."эш:ки почв-статика

Практическая значимость результатов исследований состоит в следующем. Полученные математические модели могут использоваться для расчета сцепного веса машин и характеристик ее колес ira базе исходных данных о почве с учетом экологических и агротехнических требований, а такие уровня развития конструкций почвообрабатывающих органов.

Аналитическая связь менду параметр!,ш состояния почвы и ха рактеристикой колесной машиш определяет порядок использования

¡.¡тонн и ¡зависимости от периода года,а также ранжирование машинных агрегатов по массе в технологической цепи. На ней не основана методика экологической экспертизы проекта машшы или серийно выпускаемой. На базе полученных моделей составлена характеристика онтшилыюй килсспоК формулы машины для сельского хозяйства," радикальным образом изменяется методика раочета весовых и энергетических показателей мобильной машины.

Реалпьицин результатов исследований.Разработан и испытай комбинированный движитель, который, кроме колес имеет пластины,переда ист о часть веса трактора ни почву и воспринимающие горизон-тальпув реакции почвы (а.с.М094776,кл.А).

Результаты исследований олужат основой методам экологической экспертизы проекта машины{ материал вклечен в типовую программу по дисциплине "Тракторы и автомобили" для факультетов механизации мелиоративных работ; с 1991г. читается курс лекций по программе. Часть материалов использована в учебнике по эксплуатации машинно-тракторного парка для факультетов механизации сельского хозяйства (нп испанском языке).

Основы '1 зории совместимости и методики расчета параметров экологически безопасных машин приияты для использования в работе ВНШШЫЭСХ, Ш0Х0М, ПО "Р0СТСЕЛЫШ1"

Апробация.Матесиальрдиссешсации докладывались ежегодно в период о 1984 по 1991г на научных конференциях факультета механизации мелиоративных работ Новочеркасского иниенерно-малиоративно-го института и дважды в Гаванском сельскохозяйственном институте. Результаты исследований представлены нп Всесованой конференции ио механизации мелиоративных работ (Новочеркасск,1990г.); обсу-вдены на объединенном заседании Совета отраслевого научного.

комплекса по гидротехнике и мелиорации ЁАСШШ, президиума и бюро отделения сельскохозяйственных наук СМЩВЦ, на конференции "Повышение эффективности использования водных ресурсо!? Северного Кавказа" (Новочеркасск, 1988г), на Международной конференции по механизации сельского хозяйства (Гавана, 1985), на заседании кафедры сельскохозяйственных машин РИСХМа, на объединенном заседании кафедр факультета механизации мелиоративных работ Московского гидго-мелиоративного института.

Дублпксшм.По теме диссертации опубликовано22 печатных работ, в том числе один учебник объемом 498с. (соавтор-СОс.); одна монография-П4с., авторское свидетельство. Общий объем публикаций составил более 46 у.п.л.

Результаты исследовашШ изложены в рукописных научных отчетах по госбюджетной тематике кафедры тракторов и автомобилей и кафедры мелиоративных и строительных машин НИШ.

В работе использованы материалы собственных исследований и обобщеш1й автора; весьма малую часть объема за ниш от результаты, полученные совместно с ассистентом Д.А. Челебиевым под руководством автора.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, бооьш глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем-296 с. в том числе 250 с. основного текста, 17 рисунков, 3 таблицы: список использованной литературы включает 210 наименований: приложения на 46 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснованы сущность проблемы, ее актуальность, а также сформулированы Цель и основные вопросы, выносимые на защиту.

I.АНАЛИЗ ПООВДСТШИ ВДДЕКСТИШ ХОДОВОЙ ЧАСТИ МАМ ¡II НА ПОЧЬУ

Содержащем первой гласи в основном служат обобщения н анализ опубликованных дпшшх по уплотнении почв и связанных с ним потерь уропая.

Активная фаза исследований влняшш движителя на почту началась с момента раэраоотки "Программы и методики комплексных исследований по изучешш воздействия ходовых систем сельскохозяйственных тракторов, комбайнов и транспортних средств на почву"(Русанов В.А., Баутин В.Ы,, Ильченко И.Р., Небогин U.C., Шков Е.С., Кириллов Ю.Н., Штюк U.C., Поляк А.Я,, Доспехов Б.А.), 1Ь78г.

Эта ;.-.е группа ученых и их последователи продолжила исследования и внесла значительный вклад в научение проблемы переуплотнения почв. На ее значимость указывают результаты полевых экспериментов. ООойщая опытные данные, курнал "Механизация и электрификация сельскогохозяиствс/' отмечал, что примените тракторов привело к снидешш урожая на 5.,,2С$. и к nei¿расходу топлива,

По данным Целинной ШС ( Вражниа A.B.) плотность почвы в следе колеса трактору K-70Q по глубине слоя на севе зерновых увеличивается и одноврешно как-бы выравнивается} в слое 0...5 см. она составила 1,52, а на глубине 20...25см. 1,91т/м3, Вне колеи эти же показатели равны 1,24 и 1,^3 соответственно. При этом прочность почщ возрастает в 4...5 раз и снижается уронай с 12,4 до 8,93ц/га.

lio данным СКФ В1Ш (И.С.НеОогин) чрезмерное уплотнение почьи ведет к резкому повишешт энергозатрат; для устранения этого явления необходимо поддерживать давление движителя до 0,05...

0,065 МПА прц"влажности 0.7НВ и не о'олёе 0,11 при 0,60...0,70 HB. В статье "Проблема обостряется" A.B. Бондарев, В.А. Русанов и А.Я. Поляк указывают, что зона деформаций значительно превышает толщину пахотного слоя и достигает 0,6...1,2м. и более в зависимости от массы и тяговых усилий трактора.

Для разуплотнения естественным путем необходимы I...3 года (Гузев И.О., 1Уревич A.M., Ашихшн В.П., Вайсман A.A., Воронин А.И. и др.).

Сопротивление расклинивание тяхелосуглипистого чернозема после воздействия Колес увеличивается в 2.*Л0раз, а плотность в слое 0...I0 см» повышается с 1,26 до 1,58 т/м^. после прохода агрегата К-700+ШГС-9+ЗПТС-12.

Ученые A.B. Судаков, A.A. Охитин, A.B. Юшманов, В.А. Мае-* лов отмечают, что цри существенном увеличении ширины движителя деформация почвы уменьшается лишь на 12...22$. при скорости 3,6 км/ч.

Многие ученые отмечают, что более глубокие слои разуплотняются медленнее, чем верхние. Прейееей? Кононов A.M. указывает, что переуплотнение подпахотного слоя ййвгк«е, чем пахотного. Подобные предостережения высказывают tUf. ¿ясно, О.Л. Утюш-Лю-бовцев, Л.Н. -Пугин, А.Г. Курденков, A.B. бубенчик и другие.

Академик М.В. Мухамедканов, анализируя данные о состоянии почв Узбекистана,- заключает, что в ксмшекс причин деградации их свойотв входит и то , что тракторные агрегаты проходят по поло до 30 раз в год; при интенсивных поливах это ведет к переуплотнению почв на большую глубину. Нижние слои стали почти непроницаемыми для корней и вода.

А,И,Цупошш и Н.С.Ма.тюк отмечают: "Десятилетними исследованиями установлено, что при многократном передвшхешш маышшо-

тракторных агрегатов по полю происходит накопление остаточной деформации... , отрицательные последствия которой не устраняются традиционными методами,...при проходах К-700 потери урожая озимой пшеницы и картофеля в среднем за 1976-1982 гг. составили 19,4.. .20$."

По данным Почвешюгопнститута им. Б.В. Докучаева уплотнение почвы резко ухудшает азотный' реглм.

Многочисленные публикации свидетельствуют о том, что наибольшие изменения при воздействии ходовой части происходят в соотношении объема пор и скелета. Водопроницаемость после прохода трактора уменьшается в 60...ПО раз (М.А, Шипллов),

Анализ литературы по исследуемой проблеме показал, что подобное положенно создалось во всех промышенно развитых странах, применяющих тянелие машинные агрегаты. По расчетам американских специалистов в СНА екегодный ущерб от уплотнения почв составляет 1,18 шрд. долларов;сельское хозяйство Канады такие несет миллиардные убытки по той ке причше(И.Гавва),

В СССР, в связи с особой важностью проблемы для экономики страны, в 1981 году создан Координационный Совет ВАСХШЛ,

Факт реального существования -проблемы стимулировал поис1ш способов защити почв от воздействия ходовой части машин. Статистические данные показывают, что с увеличением единичной., кассы малаши, и^ргкш шин увеличивается в такой степени, чтобы распределенная по площади контакта нагрузка была меньшей, чем у машин меньшей масон, Несмотря на снижение среднего.давления, негативное воздействие машин большей массы на слабонесущих почвах усиливается.

Для снижения уровня распределенной, нагрузки,в НПО НА1И, 'в Сев.-Кав.ШС и других организациях испытаны тракторы со сдвоеняи- ■

ми шинами. Результаты с экологических позиций оказались в основном отрицательными: глубина следа умены-тлась на 2С$, а его ширина увеличилась в 1,7 раза.

И.И. Водяник и П.И. Фирман предложили регул1'.ровпть жесткость цпш. В.А. Русанов считает, что одним из немногих путей решения проблемы является применение широких, свег.х низкой жесткости шин.

Агрономическая наука и практика доказали, что негативное воздействие машин существенно снижается при внесешш значительного количества органических удобрений. Предлагаются и другие способы борьбы с переуплотнением, но все они избираются интуитивно.

Вопрос о механизме уплотнения, об аналитической форме процесса остается открытым.

2. АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИИ НО ВЗАШОДЕМСТВШ ШИНЫ С ПОЧВОЙ

Характерным для опубликованных результатов исследований является представление почвы в виде механической-модели с упругим и демпфирующим элементом. Довольно часто почва учитывается как деформируемая поверхность, не имеющая глубгш.

В более поздних работах при исследовании системы почва-, штамп используются положения механики грунтов; почва описывается или как изотропное, однородное полупространство, шш в форме слоя, лежащего на кесткой скале.

Очевидно, что механическая модель мохет отразить лишь механические свойства дая какого-то частного случая. Если исходить из того, что почва-верхнин слой почвогрунтоаого полупространства, постоянно изменяющий свои свойства в зависимости от температуры н влажности, то обнаруживаются...принципиальные недостатки и приш>

пользовании механических моделей любой сложности, и деформируемой плоскости без глубины. Ни первый, ни второй случай не отражают действительной картины.

Во-первых, почва не является инертной, сплошной средой; она представляет собой энергетическую систему, тесно связанную о воздушной средой, с потоками тепла и влаги; она изменяет свои свойства В'.; времени. Диапазон изменений настолько широк, что она может обладать свойствами абсолютно пластичного тела или твердого, хрупкого, или сыпучей среды.

Основное же свойство-плодородие-теория.сплошной среды не может учесть, так как в этом случае необходимо тлеть дело с полидисперсным, гетерогенным, энергетически активншл.Шшзо^соп-ним полупространством.

Несмотря на отоль существенный в методологическом плане недостаток работ, использующих положения механики сплошной среды, они находятся ближе к радикальному решению задачи, чем те, в которых почва представляется в виде плоской, не тлеющей гаубицы, поверхности.

Так, на оонове экспериментальных исследований'и сравнении их результатов с расчетными по теории сплошной среды, большой группой исследователей разработаны материалы, послужившие содержанием государственных нормативных, документов (ГОСТ 2695586 ¡1 ГОСТ 2695<1т.86), нормирующих воздействие движителей на почву и устанавливающих методику расчета максимального нормального напряжения в почве, Указанные документн-факт, свидетельствующий о Практической необходимости учета глубины зоны деформаций, Это достоинство имеет место наряду, с существенными недостатками, а именно; в формулы по расчету напряжений на определенной глубине не входят ни влажность, ни плотность, Ни соотношение меяду

количеством влаги, скелета и газа, т.е. но учитываются основные характеристики верхнего слоя почвогрунтового полупространства; вошедшие в формулы нормируемого метода расчета напряжений пара-метры-суть 'характеристики сплошного тела (среди) .штшода почни.

Кроме отмеченного, теоретическая основа указанных ГОСТов и механики грунтов одна и та ке. Но, как отмечалось ранее, расчетный аппарат механики' грунтов имеет определснш:!! диапазон применения С H.A. Цнтовцч, В.Ф. Бабков, В.М. Безрук, С.С. Григорян, В. А. Иоселевич и др.). Для'.почв, изменяющих свои свойства в iai-рокбм диапазоне, диапазон применимости не известен.

Чрезвычайно ванным обстоятельством является то, что за пределами применимости.механика грунтов не дает объяснений причин, по которым зависимость деформзци: от площади приобретает обратный характер, т.е. с увеличением площади нагрузки деформация уменьшается.

Влияние механики грунтов в земледельческой механике остается определяющим. Сотрудники ЕШа, подучив экспериментальный материал по вдавливанию штампа в почву, отмечаот, что кривые в координатах деформация-площадь нагрузки не приходят в начало координат; это рассматривается как какое-то противоречие с механикой оснований.

В действительности, как это будет показано в работе, это-еотественный, закономерный результат» Если бы кривая исходила из начала координат, то это противоречило бы естеству,природб.

В целом, анализируя выполненные работы по исследованию системы ;олесо-почва, мо:лю сделать еывод, что основное внимание уделяетоя машине; почва ке,кок основной элемент, остается на' втором плаце и представляется в виде инертного тела ( В.И. Кно-

х-оз, 11.А.Ульянов, В.А.Петров и др.),

Ь опубликованных раоотах по исследованию системы машина-почва недостито'лое ¡ч.иьшше .уделястая вопросу экологической сов-местшости 1,;и|Лшы и почвы. Но,как показывает практика механизи-ро^нного земледелия, этот вопрос приобрел актуальность и значимость. На неоо.чодимисть его решения указывают И.П.Ксеневич, 1,1.1;Ляско и другие.

Немногочисленны раооти по исследованию системы машина-почва-растенки шш маикна-агроценоз.

Агрофизика основное внимание уделяет ах'роценозу, земледельческая механика ыаиине, а совокупность:маышш++агроценоз исследована недостаточно.

Цель и задачи исследования

Целью исследования является совершенствование конструкций колесных машин и порядки их использования для повышения их экологической приспособляемости к почео.

Для досигташя цели необходимо решить следующие задачи:

-разработать гидрофизическую модель' почвы;'

-на базе модели разрабогчгеь теоретические основы деформации почв (статика),*

-постановкой полевого'эксперимента проверить адекватность полученной моделей реальной системь почва-штамп; .

-оценить зависимость агрофизических характеристик.почвы и глубины зоны деформаций от весовых параметров колёсных: машин на примере тракторов; экологическая экспертиза конструкций расчетным методом;

-на основе' математических моделей представить экол'ого-эне'рге-тическ^ю коньепщш колесного трактора,принцип формирования машинного парка;

-установи^ аналитическую связь мекду моделью огроиеноза и системой шша-почва с целью дополнения модели агроцоноза технологическим блоком;

-выполнить эколого-эконошческую оценку согласования характеристики машины с параметрами состояния почвы; -сформулировать основные впводы.

3. ПОЧВЕННОЕ ПОЛУПРОСТРАНСТВО Почвенное полупространство-анизотропный, неоднородно!1!, дисперсный слой, покоящийся на грунтовом деформируемом основании. Понятие "почвенное полупространство" применяется в том случае, если глубина зоны деформаций под штампом меньше, чем толщина почвенного слоя.

Почвенное полупространство обладает определенными, присущими только ему, свойствами: химическая и термодинамическая активность; изменения температуры усиливают или ослабляют анизотропность; с изменением потока энергии изменяется плотность сложения, соотношения между фазами, сопротивление скатию и разрыву, демпфирующие и упругие свойства.

Совокупность трех основных (раз::едкость,газ и скелет, а также нитевидные- или чешуйчатые глинистые включения н органические остатки и их соотношения определяют характер реакции почвы на действие деформатора.

Одшш из основных свойств потаенного полупространства является его способность постоянно стремиться к мшшмуыу внутренне!: потенциальной энергии; это проявляется в самоуплотнении,агрегировании, повышении плотности с подводом тепловой энергии и др.

Основной фазой и энергораспределителем является влага; от ее количества и качества'в значительной степени зависит прочност]

сцепления частиц.

При равновесном или близком к нему состоянии в толще полупространства возможно су^естчска/те ниши; на поверхности срода ниши вес-частиц или их агрегатов уравновешивается силами сцепления.

Перечисленные основные свойства присущи и базовому элементу полупространства-микроагрегату.

Модель микроагрегата- соединение нескольких, шарообразной формы, абразивных частиц.

Сшш сцепления частиц и микроагрегатов образуются в основном за счет свободной поверхностной энергии. Агрегаты образуют цепи или нити, чему способствуют глинистые включения.

Каздая абразивная чаотица обладает большой смачивающейся внутренней и внешней поверхностью. На поверхностях раздела абразив-влага, влага-газ действуют силы поверхностного натяжения.

Для достижения равновесного оостояния каздая частица за счет влаги приобретает шарообразную форму, а при приближении соседней, соединяется г ней. Процесс агрегирования сопровождается уменьшением свободной поверхностной энергии, затрачиваемой на ооэданиа микрсзагрегата шарообразной форш, .

При воздействии деформатором равновесное состояние' нарушается; отдельные частицы "А агрегаты занимают неустойчивое положение, которое за какое-то время будет ликвидирована за счет той'же свободной поверхностной энергии,

Подвод энергии в виде тепла ведет к' увеличению кривизны соединительных поверхностей и,естественно, к увеличению сил civ ния контактирующих частиц, При исчезновении сил поверхностно! йатяаёййй> ЬйтаЮтся силы трения, веса и межмолекулярного Ьза: действия.

го

Описанная-,модель пбчвы обладает свойством плодородия, так как Каждый микро- или макроагрегат содержи в себе скелетше Частицы, пары влаги, воздух и питательный раствор; От их соотношений 'й плотности упаковки зависит прочность сцепления. Чем мельче ЧйОтНцы, тем больная кривизна их контакта, тем большая монет быть сила сцепления.

На основе энергетических и геометрических соотношений, тлеющих место в г11дгофйз1'1Ч<^ско'й подели почвы, получено выражение для расчета размера средней Ио'чвеннои абразивно:'! частшш

0( = Ш£/Су, (I)

где (/-свободная энергия, приходящаяся на I м.^поверхности'; для чистой воды X - '0,073 ДгУм.2 ; ¡^ -функция влажности., вычисляемая по йосмуле д

если

и 0) -объемная влакность как отношение объема влаги к объему скелета: С„ - сопротивление образца почвы

и

разрыву.

Если учесть, что (^повышается с глубиной, то, как показали расчеты, размер частиц по глубине почвенного п лупространства уменьшается. По аналогии с частицей, размер средгего мнкроагре-гата рассчитывается по формуле

2) * 21М(НМЩ® ~ЩТ)1С> - <2)

где ^ = Сд -степень упрочнения почвы при максимальном уплотнения; С,-сцепление до уплотнения.

Например, при С,= 1,5 кПа, С,= 15 кПа, 0,75, «¿=0,07: Дк/м?, находим с( = 0,28 мм, а '= '2,18мм.

Уменьшение размера агрегата с глубиной предстаатено на рпс.1,

МИ-

Рис.1. Теоретическая зависимость размера -агрогата от глубшш почвенного слоя

При Н — о° .размер -агрегата стремится к диаметру частицы, а почвенный слой приобретает свойства сплошной среды.

Гидрофизическая модель монет приобретать свойства сполшкоЗ среди на такой глубине полупространства, на которой затухает термодинамические процессы, теряется связь с окрунающшд пространством, с переменным потоком солнечной анергии,

. В соответствш1 с гидрофизической моделью, максимальная даом ность почвы зависит от плотности ее составляющих

о)

где Р , ф/, -плотность скелета и води.

Д;ш условий предсташштшого выше примерз при = 2,0 • находим, что максимально уплотненный образец почви будет меть плотность ^ =1,75 т/м3, при исходной С? = О.ЭВт/ц3 ,

Дяя слоя почвы ненарушенной структуры (отсутствие уплотненных областей) тлеет место аналитическая связь мидцу плотностью и прочностью на глубше

= (4)

где Сог -сцепле1ше на глубже ; Ш и -коэ<Мициен-ты, характеризующие интенсивность нарастания прочности и плотности по глубше; (рг и^ -плотность почвы на глубше Н ив слое 0...0,05м. соответственно.

Например, при повышении плотности на .глубше fi ~ 0,2м. на

13%, сцепление возрастает, согласно расчету, в 4 раза.

Б условияхполевого эксперимента обнаружить связь метлу проч-ностьв и плотностью довольно с лога, а я задача.

4. ДЕФОРМАЦИЯ ПОЧВЫ ТНШЫМ, ШЕРОХОВАТЫМ Е1ТАШ0Ы

Решение задачи заключается в оценке величины перемещения штампа вдоль оси 02 , т.е. по направлению силы веса.

Штамп абсолютно жесткий в виде круглого стержня, дайна которого больше Диаметра. Погружается под действием силы веса из положения покоя на дневной поверхности.

При погр;"кешш чаотицы и ^и-агрегаты движутся вместе со штампом и одновременно перемечается относительно соседилх как вдоль оси 02 , так и в плоскости X0Y . Агрегат или цепь агрегатов, перемещаясь вдоль оои 02 одновременно деформируется, теряя шарообразную форцу. Такш,! образом, частицы совершают сложное дви-■ жение|г перемещение вдоль оси 02 равно сумме перемещений относительного и переносного.

Относительное перемещение определяется прочностью внутриаг-регатного оцепления, а переносное прочностью мекагрегдтрых свя-вей.'.

Следует заметить, что датчик давления, помещенный б подиташо-воо пространство, оудот реагировать только ип относительную деформацию. Переносная :.;е деформация и соответствующая ей часть давления остается неучитываемой.

Сло:::лость движения и действия реактивных сил обуслопленп сложностью структуры ьодслп.

Реактивные силы различны по модулю, велшнпш которого зависит от места возникновения силы; по периметру контакта одновремешю с разрывом пгрегачних цепей, имеет место и разрыв внутриагрегат-1шх связей* По центру ;.;е контакта-происходит только изменение формы агрегата.

Для представления качественной ..картины распределения сил, рассмотрим сжатие единичного почвенного слоя толщиной в размер агрегата на .местком основании без возмюаюсти в начальной фазе выхода частиц за пределы контакта, В таком случае, агрегаты, деформируясь, заполняют свободное поровое пространство мсэду штампом и основанием. Боковое перемещение частиц возможно только по дсс-тикешш слоем максимальной, внутрнагрегатной плотности.

Из равенства изменения энергии системы и суммы 'работ по перемещению частиц элементарного слоя; находим, что реактивное давление по центру {контакта равно

м*

где ^ -распределенная нагрузка штампа. С момента возникновения максимальной плотности возможно применение положений механшш сплошной среды.

Если бы основание единичного слоя обладало конечной жемкос-отыо, то перемещение штампа равнялось бы суше деформаций агрегата и основания,.

В соответствии с моделью ин^елекпвте слои более ирочпих агрс-гатов служат основанием для верхних. При передаче внешней и.чгру-зки агрегат, защемленный ме;.(ду штампом и нш;еле>::ащпм, дефэрмхру-ется, но при этом перемещается за счет деформации нижелехицега. О>разуо?ся своеобразная волна перемещен!!!'!, затухающая на определенном расстоянии от поверхности дефопмзтора.

В соответствии с целями исследсвашш, в работе определена глубина зоны деформаций. Решение задачи упрощается, если положить, что на глубине Ип под штампом имеется нипа диаметром 2г , равным диаметру штампа.

При действии штампа Еолна перемещений достигнет глубины Нп и поверхность свода, образовашюя агрегатными цепями,начнет прогибаться.

Цепь будет находиться в равновесии, если силы сцепления будут уравновешиваться дополнительным давлением, созданным штампом и распределенным но длине цели весом агрегатов (рис.2).

При удельном весе почвы на глубине Нп равном вес едшищи длины цепи будет равен - а

где сОу -размер агрегата на глубине Нп •

Из расчетной схемы следует, что условие равновесия участка представляется равенством

ЪЗ — Т5«п /

При этом цепь будет испытывать разрывающее усилие Ж , уравновешиваемое силами поверхностного натяжения, действующими в контакте агсегатов }

X=яас0,

где а -радиус кривизны шейки, образованной пленкой влаги в контакте шарообразных почвенных агрегатов; С0 -сцепление мезду

Рис. 2. Расчетная схема к определении поверхности на'границе

зоны деформаций агрегатами на глубине -Нп . / /

В таком случае, учитывая, что Р = Т5(Л</и К , Нахо-

Так как = X .могло записать

1 =£«5/яасв.

Тогда .. •

где Кш$/яаев , 4 2 г

В связи с тем, что (д5)= (42 ) (¿х) , моию представить

Следовательно ,. ,,//?

Интегрируя^ чаяодим

При X =T , согласно схеме,Z - О. Поэтому

Сг-Сс/ХЮск^^М-

Torna уравнение npiu oii, вращении которой вокруг оси 02 образу--от шшшю поверхность уплотненного объема почви будет.тлеть вид

<шмгу (6)

Описанный прогиб будет иметь место при абсолютно гибком штампе, Но в соответствии с задачей исследования штамп-аесткий, В таком олучае, кик отмечено пшо, реактивные элементарные сшш под кромкой штампа по модули большие, чем по центру, т.о. эпюра реактивных давлений (реакция на распределенную нагрузку) представляет ообой арку, обратную полученной гпперболлической зависимости,

В таком случае высота свода оудет равна

ся

Иг. иыракишя (7) следует^что с yj.сличением размера штампа, высота свода ниши растет. Д/ш этого необходимо увеличивать глубину расположения ниши, т.е. ti . iwo согласуется с гп,(5): меньшем!' реактивному давлению'-соответствует меньшая высота деформируемого почвенного столба,

В связи с изложением, необходимо, пояснение по поводу терминов "давлешш" (активное,реактивное) и'.'распределенная нагрузка','

Известно, что давление-величина скалярная, применяемая при исследовании сплошной среды. В нашем случае термин "давление",по-щшается как векторная величина.

Распределение реактивных давлений в зоне контакта зависит от режима нагрунения,

Из рассмотрения контакта жесткой планки со cblГодной агрегатной цепью следует, что по кромке планки давление отпора будет' максимальным, а по центру- минимальным.

Под кромкой штампа образуется конусообразное-почвенное кольцо максимальной плотности, играгрщее роль деформатора по отношение

-7

/// ///

2П * -$

РТШ"

-ж

и-т?—

■ -ы—/'

Рнс.З. Расчетная схема к определению глубины зоны деформаций в общем случае нагружения

к недефермировакной почве.

Б общем случае под штампом существует две области: максимальной плотности и недоуплотнешюй почвы. При увеличении внешнего давления возникает предельный случай, когда зона максимальной плотности принимает форму конуса с основанием, равным диаметру штампа. Процесс погружения приобретает установившийся характер, а поверхность уплотненного ядра принимает минимальную площадь. Полагая, что реакция почвы в области кромки штаг,та аналогична реакции при стационарном реяпме, ма?ло представить' общий случай в виде колоколообразной эпюры реактивных давлений(рис.З).

]'з допущения о прямой пропорциональности мезду'реактивным давлением и деформацией следует

где -реактивное давление в точке, авсцисса которой рав-

на X ; д -коэффициент, учитывающий сцепные свойства

почвы, плотность и влажность.

Почва не может оказать сопротивление, превышающее несущую способность, равную .

Поэтому,положив в ф. (8) прив/Я,)^ •£ = £„,, находим

Формула (&} позволяет найти среднее давление отпора в зоне недоуплотненной почвы- 8 , Дяя этого используется уравнение

равновесия системы в г г

ч

Откуда слезет

% уЛ^в-КГ1*."^. (Ю)

б =?/>/№/>-(п)

Пооредотвом зависимости (II) и соотношений мезду ооъемо/л оке-лета, влаги и газа Найдено отношение глубины зоны деформаций во внутренней области к суммарному перемещению частиц под действием 'давлений отпора .

где (^-коэффициент пористости почвы до сжатия.

При отношение^/ стремится к бесконечности, т.е. поч-т

ьа приобретает свойства сплошной среди,

Режим "чистсго" уплотнения (отсутствие сдвигов) возможен, если, плотность почвы мала,.поровое пространство позволяет переупаковку скелетных частиц, не вызывая разрушения внутриагрегатних .связей. Такой случай имеет место при подвода .энергии и .появлении сил контракции, сближающих чартерагрегаты;плотность и прочность при атом повшаютоя. у

При ликвидации в направлении оси 01 газового люфта иезду влажными частицами, расстояние (относительное) мезду ниш равно

■ с

С учетом (13), сцепление пооле скатил почти равно»

(14)

Статическое равновесие внутренней области описывается уравнением

я Н

<, Lylly , (15)

где Ту -среднее сопротивление среза столба почвы, ограниченного сверху плоскость» контакта со штампом, а снизу поверхностью свода ниыи.

Из (15) находится значение Ну ,если

(16)

a t^coпротивление сдвигу, обусловленное боковой нагрузкой, т.е.

> гле j -коэффициент бокогого давления, а X -.чоэ'Мшшент знутренного трения.

Используя тот де подход, находится глубина зоны деформаций

H^yfifj*'*,- ш)

где 2, -глубина погружения цтампа.

Из закона сохранения энергии для открытых,-неконсервативных систем

Ег-Е,=1Ц<0, ш)

7де Ej , Е2 -полная механическая энергия системы до и после деформации, XLj -сумма работ против внешних и внутренних дис-сипативншс сил, находится изменение эцесгии

дЕ=fr'(i(0ft$-(Шп!Цр - г (19)

где Z(t) -скорость uvar.ma в момент времени / ; Л -глубина

цогружения-текущее значение.

По окончании динамической части процесса

Раскрыв правую часть уравнения (18))с учетом (20), находим уравнение для расчета глубина погружения штампа

(¡-гЛ^^аг^вч-с/г, ^ (21)

С -ФХр/Сг,) -коэффициенты(Характеризующие состояние почвы до сжатия; £ -коэффициент внешнего трения; ^^-коэффициент объемного омятия почвы,определяемый цо начальному учаотку"диаграммы внедрения цшшндрического наконечни ка площадью 1ом?'

Анализ (21) показал, что9Функция Я^^Я^о'"') имеет минимум, та* как

где -оптима'^ьйый раэмер штампа,при котором глубина погру-яения Хр &п . При этом ,/

Г9~ФТ. (23) Кроме того, с увеличением площади контакта .глу-

бина погрукения стремится * коночной величине, равной отношение

и..............,

1цп 2„ = Я'/» . (24)

Ив полученных выражений следует,что глубина погружения штамрг -слокная функция,имеющая характер бифуркации с минимумом плавающего типа; по мере упрочнения почв Т^ перемещается в область 'больших значений.

коэффициентов а и а .т.о.

О 0,5 ' ак>м

Рис.4. Опитио-статистнчеслая кривая Н.А.Диговича

2„

12 3

X

о

Рис.5. Теоретические кривые ~jiX) законом сохранения энергии

Г, м

в соответствии с

«тим обстоятельством и объясняется бесконечное многообразие результатов экспериментальных исследовании.

Действительно, "незначительное" изменение любого из параметров состояния (коэффициент внешнего,внутреннего трения, коэффициент пористости, влажность,сцсплешш) ведет к изменению не только Zn , но и 2Г » а • следовательно, и характера зависимости 2n-j(X) при ^ - const ,

На рио,4 представлена среднестатистическая кривая для грунтов средней плотности, полученная профессором Н.А.Цытовичем в результате обобщения экспериментальных данных.

Качественное сходство,упомянутой кривой с кривыми, полученными по выражению (21),очевидно,

5. ЭКСПЕИШЕНТАЛЫ1ЫЕ ИСШД01ШБИ Экспериментальные исследования выполнены .во-первых, с целью качеез^енной проверки полученной теоретической зависимости, е во-вторых, для получения данных о тяговых возможностях колесного трактора, оборудованного дополнительным движителем в виде наклонно внедряемой в/'почьу пластины.

Для проверки матёматической модели использовались штампы в виде стержней длиной 866мм и диаметром 45;70 и 1©0мм (сталь).

Основным требованием при выполнении эксперимента являлось соблюдение условий, принятых при теоретическом исследовании: почва нарушенной структуры, толщина слоясоответствует условию полупространства.

Учитывая способность почвы после рыхления самоуплотнйться, план эксперимента был равдомизирован.

Штампы опускались под собственным весом после подведения непосредственно к дневной поверхности из положения покоя,

В результате обработки полученных данных при ^ = 67,34 кПа установлено, что лиспа да гащи участок кривой i^/fr) существуем

Рис.6.Экспериментальные нисходящие ветви- 0) и восходящие- О ): ^экспериментальные: 2-расчетные. (Экспериментальные кривые рис.6$) построены по данным БИЛ, расчетные по ф. (21)).

В связи с качествешшм подтверждением зависимости (21), последняя принята для анализа системы двикитель-почва.

Вторая часть эксперимента выполнена с использованием трактора Т-25А, оборудованного дополнительным движителем (А,С.И094776),

Испытания доказали, что за очет дополнительного движителя ыакоимальная сила тяги на крюке может увеличиваться на 29$ в сравнении о колеоным; при этом существенно (в 4-5 раз) уменыла-ется объем уплотненной почвы,

6, ИССШЭДОВАПИЕ АНАЛИТИЧЕСКИ СВЯЗЕЙ МЩУ СИСТЕМАМИ ШМ1НЮЧВА И ПОЧВА-ШИНА

Для перехода от оистеыы почва-штамп к новой оистеме шина-почва использован закон сохранения энергии: изменение механичеокой энергии оистеш при погружении штампа на глубину , равно изменению анергии при погружении в почву шипы (в отсутствие ведущего момента) на ту же глубийу Ха -основное условие. При этом объемц отпечатка шины й штампа равны, Из указанных условий получено следствие:' распределенная яагрузка, создаваемая штампом, равна • максимальной под деформируемой шиной,

Равенство объемов отпечатков позволяет рассчитать радиус кривизны шины в контащ'е о почвой. Для этого служит уравнение

ШйЛ-^фпЮ^гг*, (25)

где -радиус кривизны дуги контакта деформированной шиш;

Ри -ширина, шины; Д -половина угла контакта по дуть радиусом

К*

Оценка степени уплотнения почвы в зависимости от нагрузки ц параметров состояния почвы определяется выражением

ГД0 1*4 ' "фуи®1™ влажности-лористрсти доч-

РИ до воздействия деформатора.

Исходя из агротехнических или экологических требований, глубина Нп долга га быть ограничено. Тогда, как показывает внрокенио (26), автоматически фиксируется уровень нагрузки ^ и площадь

контакта, так как все остальные параметры, вошедшие в формулу (26)-параметры состояния почвы, не зэвлещло от субъекта.

Попытки понизить степень уплотнения ведет или к увеличении площади контакта, или к повышению глубины зоны деформаций.

Согласно (33), широкий диапазон изменения нагрузки,(при установленном ограшпении зоны деформаций 0,3м.) от' J =0,05 до ^ =0,10 МПа степень уплотнения изменяет . незначительно (1,074 < Б 4 1,079'). Но изменеше нагрузки ведет к изменению параметров шшш и нагрузки на колесо: с увеличением распределённой нагрузки радиус контакта уменьшается, жесткость шины возрастает, вес, приходящийся на колесо снижается. Если при ^ = 0,05 Mía вес равен 6,8к11, то при ^ = 0,10 МПа весовая нагрузка снизилась до 3,4 кН. Вместе с весовой нагрузкой уменьшается и ши-pmia шины.

При отсутствии ограничения по глубине появляется возможность увеличивать вес машшы. Но в таком случае повышается степень уплотнения, возрастает глубина проникновения деформаций, что противоречит требованию экологии.

Зункция Zn =J ^oi^'^yi—) слунит базой для расчетной экологической экспертизы машины или ее проекта.

На весенних суглинистых черноземных почвах наиболее приемлемым является трактор ШЗ-80, на плотных (влашюсть-19^) близок к оптимальному T-I50K.

Выявлена общая тенденция: с увеличением площади опоры единичного колеса г пропорциональном росте массы мапшш, степень уплотнения повышается.

Кроме отмеченного, в работе представлены теоретические зависимости веса машины, глубины следа, степени уплотнения от параметров соотояиия почвы, определены условия, при которых целесообразно одваивание шин. Они определяются соотношением внешней.распределенной нагрузки и двойной несущей способностью, т.о. давлением, при котором создастся максимальная (агрегатная) плотность.

При разработке расчетного метода экологической экспертизы возникла необходимость введения поиятия-экологический коэффициент полезного действия (ЭКГЩ), кок отношение работы по разуплотнению почвы, включая и объем в подпахотном слое к общей работе двигателя,

7. АЛШШЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ДЕФОРМИРУЕМОГО КОЛЕСА С ПОЧВОЙ

Рассмотрен процесс изменения норового пространства почвы в зависимости от угла контакта даны; получены аналитические выражения для расчета касательной силы тяги по сцеплению, определено положение центра давления шины на деформируемой почве. Поэтому стало возможным раскатывать" силу и коэффициент сопротивления качению.

Центр давления для условий плоско^ задачи определяется в полярной системе координат утлом между радиусом кривизны дуги и вертикалью, проходящей-.^ерез реальную ооь колеса..

Кроме уточненного способа расчета сопротивления качению шины, представлен приближенный.

Силасощртивления качению колеса о шиной в ведомом режиме

коэффициент сопротивления качению

Приближенный способ пригоден для расчета 'параметров гачения Шины по месткому основанию.

Использование аналитических связей между характеристикой де-форматора и почвы позволило определить круг данных, по'которым

мокло назначать уровень распределенной нагрузки ^ , создаваемой экШвалентным шине жестким штампом. Такими данными являются: давление, при котором создается максимальная плотность, а также коэффициент пористости и влажность.

Теоретические исследования показал!, что с экологических и с энергетических позиций наиболее приемлемым является движитель шагалдаго типа.Результат подтвержден экспериментом.

8. МЮЛОГО-ЭЮШЖЧЕСКАЯ РАСЧЕТНАЯ (ЩЕПКА СОГЛАСОВАНИЯ, ПАРКА КОЛЕСНЫХ МАШИН С ПАРАМЕТРА!.!! СОСТОЯНИЯ ПОЧВЫ '

Материалы предыдущих глав использованы для оценки эколого-экономической эффективности такого мероприятия как согласование состава парка и характеристик машинных агрегатов с параметрами состояния почвы, изменяющимися в течение вегетационного периода.

Термин "согласование" применяется как для оценки агрегата, так и парка машин.

Внутреннее согласование применимо для почвообрабатывающих агрегатов: глубина зоны уплотнения трактора должна быть меньше, чем глубина рыхления при основной обработке.

Под согласованием парка понимается подчинение параметров всех машин одному требованию: глубина зоны деформаций не должна превышать зоны действия рабочего органа при основной обработке. Если зерноуборочный комбайн создает зону, превышающую, например, глубину чизельпой обработки, то считается, что конструкция комбайна не согласуется с экологической средой-почвой.

Таким образом, парк должен иметь состав, при котором в течение вегетационного периода модно выполнять технологические операции агрегатами, на создающими глубину зоны уплотнения большую, чем зона действия основного рыхлящего органа.

Учет основных характеристик почвы и экологических требований, позволил сформулировать эколого-эноргетическую концепцию колесного трактора: формула 4К4; всо шиш одного размера; примерно .1/3 массы приходится на. переднюю ось; размер мин и масса машины согласованы с параметрами состояния почвы.

Учитывая известный факт медленного прогрева плотных почв, в работе представлено аналитическая зависимость скорости.прогрева от параметров деформации: чем большее отношение /Нп , тем медленнее прогревается почва, тем большая.задержка всходоп.

С упомянутым отношением имется аналитическая связь веса машины и размера пш в контакте.

Эколого-эконошческая расчетная эффективность согласования состава парка с изменяющимися во времени параметрами состояния почвы в условиях кедшй степной зоны Европейской части СССР составляет 66,8 руб/га: без учета повышения качества продукции, . 0ВД1Е ВЫВОДУ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

I,Процесс машишюй деградации пбчв усиливается и сопровождается повышением стоимости, снижением качества произведенной продукции.

2.0оновная причина негативного воздействия колесных машин-нссогласованность нагрузки и площади опоры с параметрами состояния почвы; рассогласование обусловлено недостаточным учетов'особенностей экологического элемента-почвы.

3.Теоретические исследования системы колесо-почва ведутся с использоварем положений механики грунтов; по площади система на ходатся за пределами зоны' применимости модели сплошной среды

бифуркационный характер зависимости деформаций от площади в механике грунтов имеет интуитивное объяснение.

44Для исследования почвенного слоя и системы почва-штамп целесообразно использовать гидрофизическую, полидисперсную модель Почвы; основу модели составляет шарообразная или кубичйская абразивная частица, покрытая полностью или частично слоем влаги и Газом; модель, как и почва, обладает физико-механическими и плодородными свойствами.

5.Модель почвенного, дисперсного полупространства, основанная на гидрофизической модели, млеет тенденцию к достижению минимума потеншалыгой энергии; полупространство неоднородно по глубине/ анизотропно; с глубиной приобретает свойства сплошной Среды.

6.Б почвешюм полупространстве в отличие от сплошной среды, деформации и давления распространяются на определенные расстояния.

7.Мазду частицами и агрегаташ шарообразной формы, образующих агрегатные цени, действуют силы консервативной и неконсер-ватиЕной групп, усиливающих свое дейстЕие'с глубиной и реагирующих на изменешш подводимой энергий".

В.В соответствии с законом сохранения энергии для сложных, незамкнутых,неконсерватиЕных систем, зависимость глубины'пог-рунения штампа в виде тяжелого крута от его-размера имеет бифуркационный характер, с минимумом плаЕающего типа; с повышением' прочности почвы или коэффициента внешнего трения минимум деформации сдвигается в сторону больших площадей.

Э.Осноеным Енешним фактором, от которое зависит деформация,., является распределенная нахрузка} однако,и площадь контакта оказывает существенное влияние на свойства сжатой почзы,

10.Деформация почвы зависит от распределенной нагрузки,- площади контакта, сцепления, влажности, пористости, а также от коэф-

4кзиентов: внешнего, внутреннего трения, бокового давления и сот 2

противления внедрению цилиндрического наконечника площадью Jcm ,

11,Глубина рслш-распространения деформпций-одпа из основных оценок оиотеми шина-почва; с увеличением веса на колено и его ширины, глубина зоны деформаций растет,

12,С увеличением ширины шиш пропорционально весовой нагрузке (распределенная нагрузка-величина постоянная), плотность .почвы и объем зоны деформанчй повышаются,

13,Пооредотвом гидрофизической модели установлены аналитические связи между характеристикой машины и почвы, определена еколого-анергетичеокая концепция колесной формулы для сельского хозяйотва.

14, Согласование ..оостава машинного парка и порядка его применения с переменными и течение вегетационного периода параметрами ос-атояния почвы, может дпть эколого-экономическую эффективность, в объеме 66,8 руб/га для степной зоны Европейской части СССР.

Для акологичеокой'.защит'ы-почв рекомендуется осуществить оледующиа мероприятия:

-техшКо-эконошческое обоснование и тяговый расчет проектируемых- машин выполнять на основе следующих данных-о почве;

плотнооть, вла?днооть, ропротивление на разрыв, коэффициенты внешнего, внутреннего трения, пористости, бокового давления, а такие диаграмма внедрения цилиндрического цакоцечника площадью 1см2}

-для оценки проектов и серийно выпускаемых машин провеотй ajío-логичеокую экспертизу с оценкой их совместимости с почвой;

-цри оценке роботы машинно-тракторных агрегатов необходимо указывать и объем уплотненной почвы; кроме тягового КПД arpera-

та, определять и условный экологический 1Щ;

-начать работы по созданию оптимальной колесной формулы трактора эколого-энергетической концепции.

Основное содержание диссерташш опубликовано в следующих работах:

1.Дукуров A.M. Проблемы развития теории взаимодействия движителя и почвы //Известия СКНЦ ВШ. Техн. науки.-1988.-Ш.-С.И7--122.

2.Цукуров A.M. Обоснование возможного пути развития конструкции движителя энергонасыщенного трактора.//Сб. от8тей:"Вопросы механизации гидромелиоративных работ".-Новочеркасск, иш.-мелио-рат. ин-т.-Новочеркасск, 1982.- С. 79-83.

3. Цукуров A.M. Моделирование процесса уплотнения почв в зоне контакта о колесным движителем //Механизация и электрифика« ция сельского хозяйства.-1987.-С. 9-12.

4. Цукуров A.M. Методика расчета размеров шины по уплотняющего/ воздействию на почву.-Новочеркасск, ннж.-мелиорат. ин-т.-Новочеркасск, 1991.- Зс.-Ден. в ШИИТЭЙаЕтосельхозмаш,1991,1гЗ.-С.8б.

5. Пукуров A.M. Теоретическая основа расчета системы шина-почва (Монография).-Новочеркасск, инж.-мелиорат. ин-т.-Новочер-:сасск,1991.- П4с.-Деп. з ВДШТЭИаьтосельхозмаш,1991,ЯЗ.-С.85.

6. Цукуров A.M. Уравнение связи колесного движителя о почвой. //Техника в сельском хозяйстве.-IS89.-M.-C43-45.

6. Цукуров A.M. Кинематика уплотнения почвы.- Новочеркасск, лня.-мелиорат. ин-т,- Новочеркасск,1990.-10с.Ден. в ЦНИИТЭИав-тосельхозмаи, 1991,;,?3.-С.85.

7. Цукуров A.M. Основы теории уплотнения почв.-Новочеркасск, инж.-мелиорат. ин-т,- Новочеркасск,1990.-во.-Деп. в ЦШШТЭИав-тссельхозмаи, 1991,^3.-С.85.

9, Цукуров А. И. Теоретическая оценка колесных машин по физико-механическим свойствам почвогрунтов,//Известия СШЩ ВШ, Техн, науки. -1989, -J*2, _

10, Цукуров A.M. Проблема агроэкологического несоответствия параметров мобильных машин аакону деформации почв, //Известия СКНЦ ВШ, Тохн. науки.-1989.-Ш

11, Цукуров АЛЛ, Глубина зоны уплотнения почвы штампом,-Новочеркасск, ишк,-мелпорат, ин-т,- Новочеркасск,- Деп, в ЦЩШ'ГЭИэ)--тссельхозмаш, 1991,Ш,-С,В5,

12, Цукуров А,М, Оптимизация колесной формулы сельскохозяйственной машины, //Техника ь оельсном хозяйстве,-I99I,-fl>I.-С 36-36

13, Цукуров A.M. Аналитический раочет сопротивления качению деформированного колеса, -Новочеркасск, шш.-молнорат, ин-*.-Новочеркасск, I69D.-7с.-Деп» В ЦШТЭИаэтосел£Хозмаш,1991,№3,-С,85,

1<й Цукуров A.M., Челеби^в Д,Э, Самоходное транспортное средство с устройством для caMObUTacwiBanKji,- А,с,Д094776 СССР от 3 03 1983г,,КЛ,А,

15, Цукуров А«М»,,роздейотвие шины на почву, Новочеркасск, шш.-мелморат, ин-ic,-Новочеркасск, 1990,-7с,-Деп. в ЦЩШТЭИавто-оельхозмаш,1991, «4,-0.68,

16, Цукуров &.М, Согласование характеристик колесных мишии и почвы.-Новочеркасск. щ«.,-.мелиорат. ин-т,- Новочеркасск,1991,--8о,.-Деп, в ЦНШ'ЭИавторельхозмаш, 1991,Ш,-С,88,

■ 17« Цукуров A.M. Экологическая защита агроценоза согласованием характеристик машин о параметрами состояния почвыt В кн.'¡"Повышение вффективности использования и экологической защищенности мелиоративных систем"(!.1атер. науч.-технич. конференции) ,Но-вочеркас ск,1991.-1о.

18, Цукуров А.М, Гидрофизическая гетерогенная модель локаль-