Повышение эффективности технологических процессов путём уменьшения уплотнения почв ходовыми системами сельскохозяйственных тракторов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность проблемы. В сельскохозяйственном производстве все шире применяются интенсивные технологии, основанные на многократных проходах по полю все более мощных и тяжелых машинно-тракторных агрегатов (МТА), уборочных комбайнов, большегрузных технологических и транспортных машин. За последние 15-20 лет единичная мощность тракторов увеличилась в 1,5-3 раза, а их масса - в 2-3 раза, при увеличении массы сельскохозяйственных машин в 1,5 раза, в частности большегрузных машин для внесения удобрений и химикатов. В результате многократных проходов тракторов и машин суммарная площадь их следов на поле превышает площадь самого обрабатываемого участка до 1,5-2 раз. Особенно резко возросли нагрузки с применением таких энергонасыщенных тракторов как Т-150, Т-150К, К-700, К-701, Т-4, ДТ-175С, что привело к уплотнению пахотного и подпахотного горизонтов почвы на глубину 0,7-1,0 м.

Разрушение структуры верхних и уплотнение нижних слоев почвы отрицательно сказывается на плодородии почвы и урожайности сельскохозяйственных культур. Возникла реальная опасность нарушения природного экологического баланса не только пахотного горизонта почвы, но и всей окружающей среды из-за загрязнения водоемов смытой почвой токсичными веществами, остатками минеральных удобрений и пестицидов, что потребовало разработки экологически чистых систем и новейшего автоматизированного оборудования. Поэтому поиски научно-обоснованных путей решения проблемы уплотнения почвы являются актуальными и имеют важное народно-хозяйственное значение.

Цель работы обоснование и разработка методов расчета уплотняющего воздействия ходовых систем тракторов параметров их движителей, а также построение иерархии математических моделей пневматических шин и грунтовых оснований при их контакте, обеспечивающих эффективное оценивание напряженно-деформируемое состояние (НДС) шин и экологического эффекта движителя колесных машин.

Объект исследования - колесные и гусеничные движители сельскохозяйственных тракторов и машин и их взаимосвязи в системе «трактор-машина-технология-почва».

Предмет исследования - процессы образования колеи и уплотнения почвы движителями тракторов и машин, жескостные характеристики пневматических сельскохозяйственных шин на твердом и деформируемом основаниях, изменение физико-механических свойств и экологического состояния почвы под воздействием ходовых систем.

Методы исследования. Исследование эколого-технологических процессов взаимодействия движителей с почвой основывались на положениях механики почв и грунтов с использованием физического и математического моделирования. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с использованием теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в:

- разработке новой методологии анализа и управления эколого-технологическими процессами с обоснованием комплексной структурной схемы взаимосвязи объектов системы «трактор - технология - почва»;

- обосновании и обобщении основных физико-механических и экологических свойств почвогрунтов как опорных оснований движителей и допустимых пределов уплотнения и минерализации почвы;

- разработке математической модели образования колеи, учитывающей линейные и нелинейные составляющие деформации уплотнения и сдвигов;

- разработке и реализации на ЭВМ математической модели грунтового основания, как стохастический неоднородного вязкоупругопластического пористого частично водонасыщенного тела;

- построении номенклатуры выходных механических характеристик шин в контакте с деформируемым основанием и создании методики их расчетного оценивания;

- разработке концепции взаимодействия движителей на почву, обеспечивая экологическую совместимость параметров трактора, машины, технологии и почвы;

Практическая ценность и научная значимость работы. Практическую ценность составляют алгоритм и программы расчета на ЭВМ экологических показателей взаимодействия ходовых систем сельскохозяйственных тракторов и машин с почво-грунтами; методы экспериментальных исследований влияния гусеничных движителей тракторов на физико-механические свойства и экологическое состояние почвы, агробиологическая интерпретация степени уплотнения почвы и влияние её на рост сельскохозяйственных растений; уточненная номенклатура выходных характеристик сельскохозяйственных шин, методы их определения и инструментальное обеспечение этих методов.

Научную значимость имеют предложенные критерии оценки уплотняющего воздействия мобильной техники на почву: суммарная глубина колеи в результате многократных проходов техники, коэффициент накопления деформации, критерий интенсивности колееобразования, степень минерализации нарушения почвенного покрова, пороговое значение плотности в колее, рекомендации по изменению конструктивных и эксплуатационных параметров гусеничных движителей, и методы определения жесткостных характеристик шин.

Разработанные методики и математические модели могут использоваться как в система автоматизированного проектирования шин для оценки потребительских свойств последних, так и в системах автоматизированного проектирования колесных машин. Разработанные экспериментальные методики могут использоваться для доводки шин и колесных машин, а также для заводского контроля качества изготовления шин.

Достоверность основных положений и рекомендаций диссертации подтверждается сходимостью расчетных и экспериментальных данных (расхождение не превышает 5%), результатами лабораторных, стендовых и полевых испытаний моделей и натурных образцов техники.

Реализация результатов исследований. На основании проведенных экспериментально-теоретических исследований реализованы следующие рекомендации:

1. Методы определения и оценка уплотняющего воздействия гусеничных движителей переданы на МИС для использования при испытании тракторов.

2. Результаты стендовых и натурных экспериментов пневматических шин с твердым и деформируемым основаниями были реализованы при разработке проекта ГОСТа «Выходные характеристики шин сельхозмашин и методы их определения».

3. Расчетные методики определения выходных характеристик сельскохозяйственных шин были использованы ООО «Амтелшинпром» при проектировании шины 175/70Р13 «NEK».

4. Стендовое оборудование и методы испытания пневматических шин используются в работах МГУП.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы доложены и одобрены в период с 1998 по 2008 годы на научных конференциях и заседаниях кафедр, в том числе в МСХА им. К.А. Тимирязева (Москва, 2000 и 2008 гг.); в МГАУ (Москва, 1998, 2000, 2005, 2008 гг.); в МГУП (Москва, 1998-2008 гг.); на НТС Минсельхозпрода России (Москва, декабрь 1998 г.), на НТС ОАО «ВИСХОМ» (Москва, 1998-2000 г.), на научно-технических конференциях в НАТИ (Москва, 1998-1999 гг.), на научно-технической конференции (Саратов, СИМСХ, 2002, 2003 гг.), на конференции МГОУ (Москва, 1999 г.), а также на научно-практических конференциях МАЭБП (2004-2008 гг.).

Публикации по теме диссертации. Опубликовано 44 печатные работы, в том числе 3 монографии, 2 учебных пособия, 2 авторских свидетельства. Общий объем опубликованных работ составляет 35 печ. л., из них 25,3 печ. л. приходится на долю автора.

1. Состояние проблемы уплотнения почвы движителями сельскохозяйственных тракторов и машин и задачи исследований

Проведен анализ работ, посвященных проблеме уплотнения почвы движителями сельскохозяйственных тракторов и мобильных машин. Исследованию проблемы уплотнения почвы посвящены работы Я.С. Агейкина, В.В. Гуськова, С.С. Корчунова, В.В. Кацыгина, А.М. Кононова, И.И. Водяника, В.И. Кнороза, М.Г. Беккера и многих других.

Изучению влияния ходовых систем на физико-механические и агробиологические свойства почвы посвящены работы М.С. Антонова, В.А. Скотникова, Р.П. Турецкого, А.И. Пупонина, А.С. Кушнарёва, В.В. Медведева, А.М. Кононова, В.А. Русанова, И.П. Ксеневича, М.И. Ляско, Д.И. Золотаревской, А.Н. Захарченко и др.

Установлено, что в условиях интенсификации сельскохозяйственного производства многократные проходы технологических и транспортных машин по полю приводят к переуплотнению почвы, пахотного и подпахотного горизонтов и разрушению структуры верхних слоев почвы, что ведет к ухудшению агрофизических и механических свойств почвы, повышению объемной массы, снижению порозности, аэрации, водопроницаемости, подавлению микрофлоры, развития эрозионных процессов, снижению плодородия и, в конечном итоге, уменьшению сбора урожая.

Несмотря на многолетние исследования по проблеме уплотнения почвы среди ученых нет единого мнения по выбору критериев оценки уплотняющего воздействия ходовых систем. Наиболее полно обоснованию выбора таких критериев посвящены работы И.П. Ксеневича, В.А. Скотникова, М.И. Ляско, В.А. Русанова, А.М. Кононова и др. В этих работах указывается, что решающее влияние на урожай сельскохозяйственных культур оказывает плотность почвы. Предложенная И.П. Ксеневичем и др. числовая характеристика допустимого уровня уплотняющего воздействия все же не полностью раскрывает экологическую совместимость такой сложной системы как «трактор-технология-почва-окружающая среда». Решение проблемы уплотнения почвы должно быть тесно связано с дальнейшим развитием теории взаимодействия колесных и гусеничных движителей с почво-грунтами, с комплексной разработкой рациональных экологических технологий и машин для их осуществления.

На основании анализа состояния проблемы и цели работы были поставлены следующие задачи исследования:

1. Рассмотреть и обобщить основные физико-механические и экологические свойства почво-грунтов, как опорных оснований движителей;

2. Обосновать комплексную структурную схему взаимосвязи объектов системы «трактор-технология-почва»;

3. Разработать физическую и математическую модель снижения уплотнения почвы и образования колеи движителями тракторов и машин;

4. Провести лабораторные и полевые исследования изменения физико-механических свойств почв при взаимодействии с движителями тракторов и их влияние на уплотнение, и минерализацию почвы;

5. Исследовать тягово-сцепные свойства и давление, гусеничных движителей на почву при различных конструкциях опорных катков;

6. Обосновать допустимые пределы уплотнения и минерализации почв движителями сельскохозяйственных тракторов;

7. Разработать программу и алгоритм расчетов степени уплотнения почв;

8. Разработка моделей грунтового основания с учетом реологии и стохастического разброса свойств грунта;

9. Построение на этой основе обоснованной номенклатуры выходных механических характеристик и разработка методики их расчетного обеспечения;

10. Провести расчет экономической эффективности результатов исследований.

2. Физико-механические и прочностные свойства почв, как опорных оснований движителей

Рассмотрены и обобщены основные физические, механические и прочностные свойства почво-грунтов. Анализ работ в этой области отечественных и зарубежных ученых (В.А. Ковда, К.И. Саранина, А.С. Извекова, В.В. Медведева, А.И. Пупонина, А.П. Щербакова, Д. Тома, К. Ференц, J. Ваbа, А. Gоrа, Р.L. James и др.) показал, что неумеренное применение сельскохозяйственной техники нарушает экологический баланс пахотного горизонта почвы, т. е. под влиянием переуплотнения и разрушения структуры почва теряет свойство саморегулирования и восстановления генетически присущих ей природных свойств. С каждым годом эта проблема становится все острее и актуальнее, так как техногенная нагрузка на почву все возрастает. Поэтому для сохранения потенциального плодородия почвы и её экологического баланса необходимо обосновать критерии оценки снижению уплотнения почвы и пределы пороговых значений давлений и коэффициент буксования движителей.

В результате обобщения физико-механических и прочностных свойств почво-грунтов принято допущение, что почву, как объект механического воздействия, можно рассматривать в виде модели сплошной среды с квазиоднородными свойствами, обладающей нелинейными вязко-упруго-пластичными характеристиками. К такой модели почвы применимы закономерности механики грунтов, теории упругости, пластичности и реологии. Установлено, что напряженно-деформируемое состояние почвы под воздействием деформаторов, в том числе и движителей зависит от её механического состава, влажности, плотности, задернелости, формы и размеров деформатора. Одним из важных прочностных параметров почвы является предел несущей способности, характеризующей её предельное состояние сохранять сплошность среды перед наступлением хрупкого разрушения (течения).

В конце второй главы дана классификация почво-грунтов, как несущих оснований для движения тракторов и машин.

3. Теоретические основы и моделирование колееобразования движителями тракторов и машин

Дано обоснование концепций экологической совместимости системы «трактор-машина-технология-почва».

Экологическая совместимость объектов этой системы понимается нами как совокупность параметров техники и почвы, обеспечивающих последней при выполнении сельскохозяйственных работ благоприятное состояние для получения высоких урожаев. Представляя в комплексе проблему экологической совместимости сельскохозяйственной техники и окружающей среды, обосновали структурную схему связей внутри системы (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема взаимодействия объектов системы “трактор-машина-технология-почва”

На схеме указаны основные конструктивные и эксплуатационные параметры МТА (GT, GM, BM, L, Pкр, H, ВТ, tк, tзв, nк); параметры технологии (La, В, F -площадь уплотненной почвы ходовой системой, число проходов n0, производительность - П), среднее и максимальное давление в колее - qcp, qmax, глубина колеи - h; параметры почвы (w, С, Е, , qs, ), Р - плотность грунта колеи в результате воздействия машины, Рэ - экологическое изменение плотности, Рпор- пороговое значение плотности для произрастания.

Схема показывает влияние ходовой системы МТА на экологическое состояние почвенного слоя. Математическое состояние прямых и обратных связей между объектами системы представляет математическую модель системы. В каждом конкретном случае при условии обеспечения расчетной производительности на систему накладываются ограничения по степени уплотнения (плотность в колее должна быть меньше пороговой плотности и меньше экологически допустимой (), суммарной глубине колеи, которая должна быть меньше допустимой , урожайность должна быть не менее, чем на контроле (без уплотнения (); давление ходовых систем должно быть в пределах несущей способности почвы (). Кроме указанных критериями экологической оценки уплотнения почвы ходовыми системами могут быть использованы:

- изменение водно-физических свойств (изменение плотности, пористости, аэрации, водопроницаемости, твердости почвы, степени крошения почвы, прочности почвы (сопротивление сжатию, разрыву, сдвигу); глубина распространения уплотнения; разуплотнение почвы, т. е. способность восстанавливать исходную плотность после нескольких циклов увлажнения - высушивания; степень нарушения почвенного покрова (травостоя); степень минерализации питательных веществ.

С учетом всех перечисленных оценок можно представить комплексную проблему экологической совместимости сельскохозяйственной техники с окружающей средой.

В работе проанализированы параметры машины, технологии, почвы, и взаимодействия машины с почво-грунтом.

Для составления алгоритма рассматриваемой модели подробно проанализирован процесс основных объектов системы и даны математические модели связей, в том числе процесса колееобразования.

Применение такой схемы исследования позволило наиболее полно выявить существенные факторы, влияющие на взаимодействие движителей сельскохозяйственных машин с почвой.

Физическая модель колееобразования подобна процессу взаимодействия штампа с почво-грунтом.

Во время движения под колесом или гусеницей образуется ядро уплотненного грунта, которое внедряется в опорный массив, раздвигая в стороны находящийся по бокам почву. Общая деформация - глубина колеи - представляет сумму деформаций уплотнения и сдвигов. Как было отмечено выше, превышение пороговой плотности почвы в колее замедляет процесс восстановления растительности. Поэтому число проходов сельскохозяйственной машины, после которого плотность почвы достигает указанной величины, можно рассматривать как некоторый экологический показатель воздействия движителей на почву.

Процесс взаимодействия движителей с грунтом можно представить в виде взаимодействия жесткой или эластичной площадки (штампа), нагруженной вертикальной и горизонтальной нагрузками с упруго пластичной средой.

Зависимость между давлением q и осадкой штампа h при смятии реальной почвы выражается графиком, показанным на рис.2.

На кривой h=f(q) можно выделить три участка, по-разному выражающих зависимость между давлением и величиной деформации. На участке I имеется линейная зависимость между напряжением и деформацией. На участке II деформация имеет нелинейный характер (асимптотический характер), при этом кроме уплотнения в почве возникают деформации сдвига. На участке III уплотнение почвы прекращается и начинается пластическое течение: почва достигает предела прочности или предела несущей способности.

Рис. 2. Зависимость осадки штампа от давления

Для математического выражения зависимости h=f(q) в механике грунтов предлагались различные формулы, например, степенная зависимость Винклера- Герстнера - Бернштейна, М.Г.Беккера и др. Удовлетворительно отражает экспериментальные данные формула В.В. Кацыгина, по которой зависимость между напряжением сжатия и деформацией подчиняется закону гиперболического тангенса. Перечисление зависимости достаточно сложны и для их использования необходимо располагать целым рядом эмпирических коэффициентов. Нами выведены более простые зависимости, удобные для прикладных расчетов.

Примем, что в начальной фазе сжатия (участок I на рис. 2) зависимость деформации пропорциональна давлению, т.е. интенсивность напряжения есть первая производная от деформации и dq/dh=q/h=const. Нарушение линейного закона деформации происходит при увеличении давления, тогда dq/dh=q/h·F(q), где F(q) - некоторая функция. Для описания функции по ее производной представим ее в виде бесконечного ряда:

dq/dh=q/h(a+вq+cq2+…), (1)

где: а, в, с - коэффициенты.

В первом приближении ограничимся двумя первыми членами разложения, решение которого имеет вид:

, (2)

где: - коэффициент линейной деформации почвы, численно равный тангенсу угла наклона касательной к кривой h=f(q) в начале координат (рис. 1).

После определения постоянной для в№ деформаций уплотнения и сдвигов, а также линейной и нелинейной составляющих для обоих видов деформаций суммарная деформация выражается уравнением:

. (3)

Для практических расчетов по уравнению (3) необходимо знать численное значение трех величин: коэффициента линейной деформации ; предела несущей способности почво-грунта qs и максимальной деформации почвы hmax. В механике грунтов для определения, а имеются достаточно строгие теоретические решения (Н.А. Цытович), но их использование в расчетах процесса колееобразования сопряжено с определенными сложностями. Поэтому рассмотрим более простое решение.

Строгое решение задачи о распределении сжимающих напряжений в толще упругого полупространства в настоящее время получено только для прямоугольных, гибких площадок нагружения со сторонами l и b. Функции, описывающие изменение сжимающих напряжений достаточно сложны и их интегрирование выполняется численными методами. Поэтому для практического пользования в литературе по механике грунтов результаты решений приводятся в виде таблиц. При этом основная формула для расчета деформации однородного грунта, описывается в виде:

, (4)

где: Е0 - общий модуль деформации почвы в фазе уплотнения, учитывающий как упругие, так и остаточные деформации; , - коэффициент поперечного расширения почвы; F - площадь деформатора; - коэффициент формы деформатора, принимаемый на основании таблиц в зависимости от отношения длины к ширине деформатора х=l/b.

Мы обработали приведенные в таблицах данные и пришли к выводу, что при расхождении менее 5%, коэффициент формы деформатора можно вычислять по формуле:

, (5)

а соответственно, деформацию определить по уравнению:

. (6)

Таким образом, коэффициент линейной деформации массива однородного грунта можно определить из выражения:

. (7)

Сельскохозяйственные машины перемещаются по разнообразным грунтам с широким диапазоном физико-механических свойств: от твердых минеральных до торфяно-болотных водонасыщенных. Значительное влияние на несущую способность грунта оказывает влажность и задернелости. Так, по нашим данным для среднего суглинка при влажности 12-15% qs=0,35-1,25 МПа, при влажности 25-30% qs=0,20-0,65 МПа. Дерновой слой увеличивает несущую способность в 1,5-2,0 раза. Базируясь на исследованиях В.М. Котикова и В.П. Кацыгина предельную деформацию грунта hmax определяем из следующих соотношений. При воздействии движителей на грунт в нем одновременно возникают сжимающие и сдвигающие напряжения. Полагаем, что уплотнение грунта происходит в условиях всестороннего сжатия. Если рассмотреть столб грунта высотой Н и площадью F , зная начальную плотность почвы 0 начальную влажность W и плотность твердых частиц скелета тв, то максимальная деформация уплотнения будет равна:

. (8)

Плотность твердых частиц скелета в среднем равна 2,1-2,2 г/см3.

Многократные проходы сельскохозяйственных машин приводят к увеличению глубины колеи и повышению плотности почвы из-за накопления деформаций.

Воспользовавшись рассмотренным выше дифференциальным подходом к процессам уплотнения и сдвигов в почве при воздействии на него движителей, выведено уравнение для определения суммарных деформаций при многократном приложении нагрузки:

, (9)

где п - число нагружений (проходов);

=(2 qs q - q2)/( qs - q) 2 - коэффициент накопления деформаций.

Из уравнения (9) следует, что накопление деформаций при различных значениях стремится к пределу, которым служит hmax.

Определим предельное давление, при котором начинается прогрессивное увеличение глубины колеи, для чего рассмотрим случай, когда = 1, тогда:

; (10)

Назовем отношение Ko=q0/qs=0,293 критерием интенсивности колееобразования.

Зависимость глубины колеи от числа проходов для сельскохозяйственной машины показан на рис. 3.

Повышение плотности грунта при многократных проходах рассчитывали по формуле:

. (11)

Рис. 3. Зависимость глубины колеи от числа проходов: а) для правой гусеницы в) для левой гусеницы

Для тракторов с боковой навеской машин величина уплотнения грунта правой и левой гусеницы существенно отличаются. Так для трактора

ДТ-175С с боковой навеской, величина уплотнения грунта под правой, наиболее нагруженной гусеницей, на 25% больше, чем под левой гусеницей.

Некоторое расхождение расчетов с опытом (рис.3) могут быть объяснены рядом причин, одной из которых является непостоянство физико-механических свойств почвы на трассе движения машины. Тем не менее, как показала статистическая обработка опытных данных, выражения (12) и (14) в достаточной степени отражают общую тенденцию увеличения глубины колеи и плотности грунта в колее гусеничной машины в зависимости от накопления деформаций уплотнения при многократных проходах.

4. Исследование изменения физических свойств почв при взаимодействии с гусеничными движителями сельскохозяйственных тракторов

стохастический грунтовой гусеничный сцепной

Изложены результаты экспериментальных исследований изменения физических свойств почв после воздействия на них движителей трактора ДТ-175С.

Эксперимент заключался в том, что трактором ДТ-175С со средним давлением 61,6 кПа были накатаны следы с числом проходов от 2 до 100. После этого на каждом участке были взяты образцы для определения тех изменений, которые произошли в характеристике физико-механических свойств почвы. Следует отметить, что плотность твердой фазы практически не изменялась, а влажность изменилась незначительно, вследствие чего эти показатели в дальнейшем из анализа исключены. Основное внимание с точки зрения изменения растительных свойств было обращено на изменение плотности и порозности.

Данные, показывающие изменение физико-механических свойств дерново-слабоподзолистой легко-суглинистой почвы в тракторной колее при различном числе проходов, приведены в табл. 1, которые свидетельствуют о том, что уже первые два прохода увеличивают плотность верхнего горизонта почвы на 10%, а слоя в 15 см - на 7%. При этом порозность уменьшилась на 8%. По мере увеличения числа проходов возрастает плотность как верхнего пятисантиметрового горизонта, так и всего слоя толщиной 15 см. Плотность верхнего слоя стабилизируется уже после четырех проходов, делая новый скачок на 20-м проходе. Таким образом, ведет себя и коэффициент уплотнения, показавший увеличение на 28%. Порозность при этом падает на 24%. Среднее увеличение плотности происходит менее резко и достигает максимума практически при 20 проходах.

Отметим, что уже при 4…8 проходах порозность падает до критических величин, а к 10-му проходу достигает очень низкой величины - менее 40%, кроме верхнего слоя, разрыхляемого почвозацепами гусениц. При использовании материалов, представленных в табл. 1, особое внимание должно быть обращено на горизонты, где плотность почвы достигла или превзошла пороговое значение 1,65...1,70 г/см3, которое достигается при 10 и более проходах по одной и той же колее и характеризуется показателем плотности почвы и коэффициентом уплотнения. Но для использования этого показателя необходимо иметь его биологическую интерпретацию, которая, к сожалению, до сих пор не разработана достаточно обоснованно. Поэтому нами на основе литературных данных и собственных исследований была составлена шкала характеристики растительных свойств уплотненной дерново-подзолистой почвы в среднем по профилю до глубины 35 см (табл. 2).

Приведенная характеристика справедлива для слоя в целом, а внутри него могут быть (и обычно встречаются) горизонты с другими растительными характеристиками.

Полученные результаты заставляют более внимательно относиться к распределению плотности почвы по горизонтам. Кроме того, экспериментально полученные данные свидетельствуют о достаточно высокой точности полученных уравнений, так как различие теоретических и фактических данных величин уплотнения почв не превышают 7-9%.

Следует указать на некоторые особенности деформации грунта гусеничными движителями. На основании анализа экспериментальных эпюр следует, что давление на грунт передают только те звенья, которые в данный момент находятся под осями опорных катков.

При этом условная длина гусеницы нагружающий грунт равна:

St=nкtзв, (12)

где nк - число катков одного борта машины, tзв - шаг звена гусеницы.

Для случая, когда деформация сдвигов мала и колея образуется, в основном, в результате уплотнения грунта на основании уравнения найдем:

(13) и

Таблица 1. Изменение физических свойств дерново-слабоподзолистой легкосуглинистой почвы в колее при различном числе проходов

(14)

Если предел несущей способности мало отличается от среднего давления гусениц, то максимальное давление в процессе деформации будет:

(15)

Уравнение (15) означает, что полное выравнивание давления по длине опорной ветви гусеницы произойдет, когда грунт исчерпает способность уплотнения и в этом случае St=L; где: L - длина опорной части гусеницы.

Выразив условную длину опорной поверхности гусеницы через функцию отношения среднего давления к пределу несущей способности грунта, получим St=nкtзв+(L-nкtзв)·A, где А=F(qcр/qs) - некоторая функция отношения среднего давления к несущей способности грунта.

Сопоставление данных расчетов глубины колеи с данными замеров показало, что удовлетворительные результаты получаются при равенстве:

, (16)

где qcр =G/2Lв (G - масса трактора).

Таблица 2. Характеристика дерново-подзолистой почвы по профилю 0...35 см после уплотнения движителями машин

Тогда условную длину опорной поверхности можно вычислить по формуле:

 . (17)

Исследования показали, что характер распределения и величина давлений на опорную поверхность гусениц в значительной мере определяют осадку и уплотнение грунта.

Установлено, что боковая навеска рабочих органов увеличивает степень уплотнения грунта под наиболее нагруженной гусеницей на 22%, что отрицательно влияет на рост травяного покрова. В то же время глубина колеи определяется областью максимальных давлений опорной поверхности гусеницы. Поэтому необходимо стремиться к снижению числа проходов и qср для повышения проходимости и уменьшения вредного воздействия движителей на степень минерализации травяного покрова. Для этого необходимо увеличить размеры гусениц и снижать массу машины. Эффективно также уменьшение отношения расстояния между катками lк к шагу звеньев tзв..

Таким образом, на основе системного комплексного подхода к проблеме экологических последствий воздействия сельскохозяйственных машин на почву, разработана многофакторная модель системы "машина - технология - почва", реализация которой позволяет:

-оценивать степень уплотнения почвы движителями сельскохозяйственных машин;

выбирать экологичную технологию работы машин;

уточнять параметры ходовых систем сельскохозяйственных машин с целью снижения уплотняющего воздействия их на почву.

Дифференцированный подход к процессу колееобразования позволил получить зависимости для определения деформаций уплотнения и сдвига от физико-механических свойств почвы и количества проходов по одному следу.

Теоретически и экспериментально установлено, что при работе сельскохозяйственных машин на переувлажненных средне-суглинистых почвах, где превалируют сдвиги почвы, экологический ущерб выражается в высокой степени их минерализации.

В результате исследований также установлено, что смещение центра масс в сторону задней оси трактора и применение более широких гусениц значительно снижает экологическую нагрузку на почву.

Харьковский и Волгоградский тракторные заводы совместно с НАТИ и Харьковским Политехническим институтом разработали индивидуальную систему подрессоривания с торсионными упругими элементами, которая была предложена в качестве базовой модели для единой ходовой системы тракторов класса 3.

Нами проведены исследования по определению количественных взаимосвязей между неравномерностью удельных давлений, типом подвесок, отношением расстояния между опорными катками (lк) к шагу гусеницы (t), распределением нагрузки по опорным каткам.

Исследования показали, что применение новой подвески существенно снижает давление движителей (на 17%) и степень его неравномерности.

Для переувлажненных почво-грунтов необходимо соблюдать условие qmax/qср<1,3-1,5. Пороговое значение qср не должно превышать 0,012-0,18 МПа, для грунтов с дерновым покровом qср =0,025-0,03 МПа.

Установлено, что определяющее влияние на процесс уплотнения суглинистых почв и глубину колеи оказывает кратность проходов сельскохозяйственных машин по одному следу (рис. 4).

Как следует из графика существенным фактором, влияющим на уплотнение почвы, является способ навески рабочих органов сельскохозяйственных машин.

Так, при боковой навеске при 4-х проходах трактора ДТ-175С величина напряжения в почве достигает 1,6•105 Н/м2. При задней навеске величина напряжения в грунте снижается до 1,2•105 Н/м2 при тех же условиях.

Осуществлялся многократный наезд трактором ДТ-175С со скоростью 0,74 м/с с различными навесками рабочих органов в трехкратной повторности. Результаты измерений позволяют сделать вывод, что движители трактора ДТ-175С создают повышенные значения напряжений, особенно в верхних слоях почвы 105•(3,5-2,5)Н/м2, которые распространяются на значительную глубину. Далее наблюдается плавный спад давления с увеличением глубины.

Однако на глубине 0,4 м еще наблюдается давление в 1,1•105 Н/м2. По отношению к исходной плотности 1,35•103 кг/м3 (почва тяжелого механического состава при влажности Wвл=26%) прирост плотности почвы в слое 0-0,20 м составил 0,35•103 кг/м3.

Дальнейшие исследования напряжений и перемещений, возникающих в почве, при воздействии на нее гусениц трактора ДТ-175С были проведены в обычном и экспериментальном исполнении движителей трактора. При помощи разработанной измерительной установки с полупроводниковыми датчиками были проведены исследования распределения давления в почве под гусеницами трактора ДТ-175С с различной навеской рабочих органов.

В результате эксперимента зафиксировано значительное снижение удельного давления при смещении центра масс трактора ДТ-175С, обусловленное смещением двигателя на 20 см.

Также отмечено, что использование на данном тракторе индивидуальной подвески опорных катков позволяет на 60-66% снизить напряжение в почве в зависимости от скорости движения.

Приращение плотности почвы прямо пропорционально связано с увеличением её деформации. Данные экспериментальных исследований показывают, что деформации черноземной почвы под движителем трактора ДТ-175С (серийный) в слое 0…0,3 м на 38…46% ниже, чем под движителем с индивидуальной подвеской трактора ДТ - 175СИ, а в слое 0,30,5 м - на 72%.

В пахотном горизонте деформация почвы после первого прохода трактора ДТ - 175С составляет в среднем 6% и при последующих проходах нарастает по 0,4…0,7% до глубины 0,4…0,5 м.

Рис. 4. Зависимость давления от числа проходов трактора ДТ-175С на дерново-карбонатной среднесуглинистой почве под левой (2) и под правой (1) гусеницами с боковой (4) и задней (3) навеской рабочих органов на глубине 0,1 м.

Анализ результатов измерения твердости черноземной почвы показал, что с увеличением горизонта почвы твердость ее возрастает. Твердость почвы по следу трактора ДТ - 175С существенно больше, чем по следу ДТ- 175СИ. В слое 0…0,1 м в 1,5…2 раза, в пахотном слое в 1,2…1,5 раза. Трактор ДТ - 175С существенно увеличивает твердость почвы в слое 0…0,3 м, причем изменение твердости при многократных проходах наблюдается до глубины 0,5 м. Твердость почвы также как и плотность почвы зависит от кратности воздействия трактора, его скорости и влажности почвы, а также от конструктивных особенностей ходовой системы.

Пятая глава содержит общие формулировки математических моделей пневматической шины и деформируемого грунтового основания и их обоснование; локальную и вариационную формулировку задачи о контакте шины с основанием и описание методики её решения.

Пневматическая шина рассматривается как многослойная вязкоупругая оболочка переменной толщины со сложной формой меридиана.

В пределах индивидуального слоя предполагается линейный закон распределения перемещений по толщине:

(18)

где - вектор перемещения точки к-го слоя, - вектор перемещения базы параметризации слоя, - вектор поворотов-обжатий нормали, - нормальная координата Гауссова триэдра, - тензор кривизны локальной базы параметризации.

Тензор деформации Коши-Грина в пределах классического слоя определяется соотношениями среднего изгиба оболочек средней толщины. Переход к глобальной базе параметризации осуществляется, следуя В.Н. Паймушину.

Предположение об идеальном контакте слоев позволяет полностью охарактеризовать кинематику шины перемещениями её нечетных слоев.

Далее на основе термомеханики шинных материалов при статических и динамических нагружениях формулируются вариационные принципы статики и циклики шин как многослойных оболочек.

Основываясь на подходе А.С. Кузьмина к построению моделей многослойных оболочек на базе сопряженных аппроксимаций полей трансверсальных деформаций и напряжений, сформулированы локальные формулировки задач о статическом и циклическом деформировании шины как многослойной оболочки.

Получаемые системы уравнений являются дифференциальными по координатам глобальной базы параметризации и разностными по номеру слоя. Это позволяет значительно упростить решения задач статики и циклики шин, основываясь на развитом Ю.Н. Новичковым и А.С. Кузьминым структурно-континуальном подходе к расчету шин.

Во втором параграфе главы сформулирована математическая модель деформируемого основания.

Основание рассматривается как неоднородное вязкоупругопластическое пористое тело, состоящее из однородного вязкоупругого полупространства, на котором распложен толстый слабонеоднородный изотропный частично влагонасыщенный слой, на котором, в свою очередь, лежит неоднородный анизотропный пористый частично влагонасыщенный слой средней толщины.

В пределах каждого из слоев грунта его динамика описывается уравнениями неразрывности фаз и движения фаз с учетом закона Генри, а уравнение состояния изотропной части скелета принимается в форме Б.Е. Победри:

(19)

где - ядра ползучести грунта, - первые инварианты тензоров и деформаций, соответственно, - компоненты девиатора напряжений и деформации, - параметр пластичности А.А. Ильюшина, - интенсивность сдвигов, - известные функции определяющие тип модели.

В пределах армированного волокнами растительных остатков с концентрацией волокон в предположении об однородности распределения арматуры по координатам базы параметризации дневной поверхности и заданной плотности распределения волокон по углу с вертикалью потенциал твердой фазы есть:

. (20)

В силу водоупорности подстилающего полупространства в нем , в силу вязкоупругости - .

Следуя Йосселену де Ионгу, и применяя асимптотическое стохастическое описание для каждого из слоев в относительных скоростях для жидкой и газовой фаз после стохастической линеризации получены уравнения обобщенного закона Дарси, где уравнения движения среды в целом описываются поровым давлением , осредненными концентрациями , , осредненным тензором напряжений и вектором перемещений скелета и параметром пластичности , то есть являются моделью вязкоупругопластического тела с внутренними переменными.

Далее формируется вариационный, точнее, квазивариационный принцип, которому удовлетворяет деформирование основания.

Третий параграф главы посвящен определению номенклатуры существенных для динамики МТА выходных характеристик шин в контакте с деформируемым основанием. К числу выходных характеристик шины наряду со стандартным массо-геометрическими относятся следующие: кинематические параметры шины; статические (динамические) параметры шины; параметры накопления и рассеяния энергии в шине; характеристики долговечности шины.

Все эти параметры существенно зависят не только от характеристик шины, но и от характеристик основания. Рассматривая выходные характеристики шин как характеристики отображения пятна контакта шин с основанием в пятно контакта шин с ободом колеса, естественно ввести следующие геометрические характеристики: площадь пятна контакта с основанием и с ободом , площадь зон сцепления и скольжения длина пятна контакта (длина максимальной эквидистанты в пределах пятна контакта) и аналогичные параметры для зоны сцепления . Для описания формы пятна контакта и зоны сцепления естественно ввести относительную длину пятна, то есть отношение хорды соединяющей концы максимальной эквидистанты, к длине пятна максимальной полуширины пятна контакта центральной полуширине пятна контакта , положение и характеристики главных центральных осей пятна контакта, эксцентриситет проекции центра колеса на пятно, кривизны поверхности контакта в случае деформируемого основания, а также углы между осью вращения колеса и главным центральным осями пятна, осью вращения колеса и концами максимальной эквидистанты, аналогичные характеристики естественно вводят для зон скольжения и сцепления.

Наряду с геометрическими характеристиками пятна контакта, вводятся следующие характеристики геометрии системы в целом: радиус качения , определяемый как расстояние от проекции оси вращения колеса на поверхность контакта до оси колеса; максимальная и минимальная поперечная ширина колеса ; угловые размеры пятна контакта колес с опорной поверхностью, зон скольжения и сцепления по отношению к центру колеса. Для характеристик кинематики колеса в целом вводятся вектор скорости колеса и вектор его угловой скорости по отношению к неподвижной системе координат. Для характеристики относительного движения обода колеса и борта шины вводятся главный вектор и главный момент скорости движения борта относительно обода, приведенные к центру колеса.

В качестве основных статистических параметров вводятся главные вектора и главные моменты контактных усилий, приводя их в случае контакта шины с ободом к центру колеса, а в случае контакта шины с основанием к центру пятна контакта.

В силу отмеченной существенной нелинейности задачи о контактном взаимодействии шины с колесом и деформируемым основанием представляется естественным, не вводя, как это делается обычно, жесткости шины, при обработке результатов вычислительного, стендового или натурного эксперимента искать прямые регрессионные связи между внутренним давлением и динамо на оси колеса, с одной стороны, и геометро-кинематические характеристиками шины и пятна контакта, с другой.

Переход к стандартным жесткостным характеристикам при этом осуществляется частным дифференцированием полученных зависимостей. Преимущество этого подхода при построении машинно-ориентированных систем проектирования колесных машин, таких как САПР, очевиден, поскольку операция дифференцирования экспериментальных данных резко снижает, как известно, точность прогноза, а объем хранимой информации возрастает несущественно.

Кроме того, этот подход позволяет наряду со стандартными жесткостями учесть перекрестные, такие как или жесткостные коэффициенты второго порядка, как:

(21)

или обратные к ним упругие характеристики, не только силовой и моментный коэффициенты увода, но и учесть реальную взаимосвязь между углом увода, стабилизирующим моментом и боковой силой.

Для характеристик диссипации энергии в системе «колеса-шина-основание» естественно выделить следующие основные каналы накопления и рассеивания энергии: кинетическая энергия движущегося жесткого колеса , потенциальная энергия движущегося колеса , кинетическая энергия движущейся шины , потенциальная энергия деформации шины , кинетическая энергия деформирования основания , потенциальная энергия деформирования основания , потенциальная энергия контактных нормальных давлений , диссипации энергии в вязкоупругопластическом основании , изучение энергии в основание на бесконечность , диссипация энергии за счет трения в контактных зонах . Мощность трения в контактных зонах определяется очевидным соотношением:

(22)

Для экспериментального исследования диссипации, наряду со стандартным прямым определением коэффициента по логарифмическому декременту колебаний, поскольку является глобальной характеристикой, естественно определить главную часть диссипации мощности косвенным путем по расчетно-экспериментальной оценке кинетической и потенциальной энергии колеса с шиной.

На рис. 5. приведена обобщенная схема, содержащая перечень основных выходных характеристик сельскохозяйственных шин.

Учитывая, что выходные характеристики шины являются интегральными показателями её НДС в контакте с грунтом, естественно для оценки применять упрощенные модели шин и основание, обеспечивающий необходимую точность по выходным характеристикам и достаточную высокую эффективность расчетных алгоритмов.

С этой целью была разработана методика определения интегральных и локальных характеристик контактного взаимодействия шины с деформируемым основанием и сопоставлена с результатами стендового и натурного эксперимента исследования шин модели ФД-14А. Приведено описание инструментального и методического обеспечения экспериментов.

Рис. 5. Модифицированная номенклатура ВХШ

Для проведения лабораторных исследований создан стенд, защищенный авторским свидетельством № 1195210, обеспечивающий, наряду со стандартными для практики исследований шин, измерениями, фотофиксацию пятна контакта на твердой опорной поверхности и позволяющий моделировать движение колеса по деформируемому основанию.

В качестве модели деформируемого основания использована система резинотканевых емкостей, соединенных с управляемой гидравлической системой, что позволяет моделировать как упругие, так и реономные свойства основания.

Натурный эксперимент проводился на ПФ НАТИ на тракторе Т-150К.

Для определения нагрузочных поверхностей в эксперименте используется теоретико-экспериментальный подход оболочек А.С. Саченкова, сущность которого заключается в том, что на основе теоретического анализа закладываются основанные предположения относительно функции отклика, а параметры последней определяются экспериментально. Для нагрузочных поверхностей приняты функции отклика следующего вида:

. (23)

Использую это выражение в качестве регрессионного уравнения, на основе теории планирования эксперимента, предложено для определения регрессионных коэффициентов применять звездные планы, построенные на основе насыщенных реплик, удовлетворяющие критериям униформности и ротабельности. Приведен план трехфакторного эксперимента, где в качестве факторов использованы давление в шине, поперечная нагрузка на колесо и продольная сила на оси колеса, а выходными характеристиками являются кинематические геометрические параметры шины и контактной области. Аналогичным является подход при планирования натурного эксперимента. Повторность эксперимента выбралась из условия достижения 10-ти процентной величины размаха доверительного интереса для коэффициентов регрессии и составляла в разных экспериментах от 5 до 10.

Далее приводятся сопоставления расчетных и экспериментальных результатов по определению выходных характеристик шин. На рис. 6 и 7 сопоставлены результаты определения жесткостных характеристик шин расчетным путем в стендовом и натурном эксперименте на недеформируемом и деформируемом основании. Нетрудно видеть, что расхождение между результатами расчета и экспериментов является статически незначимым, что свидетельствует о корректности предложенных методик оценки внешних характеристик шин.

Дополнительно обсуждены локальные характеристики напряженно-деформированного состояния шины в контексте с деформируемым основанием. Установлено, что:

1. Циклы напряжений и деформаций не только несинфазны, но и различны по спектральному составу рис. 8.

Рис. 6. Жесткостная характеристика шины ФД-14А 1 - деформируемое основание; 2 - твердая опорная поверхность



Рис. 7. Уводная характеристика шины ФД-14А где: 1 - твердая опорная поверхность; 2 - деформируемое основание; - натурный эксперимент

Рис. 8. Циклы безразмерных интенсивностей деформаций и напряжений в центре каркаса шины: напряжение; деформация



Рис. 9. Профиль безразмерного контактного давления: 1 - твердая опорная поверхность V=0; 2 - твердая опорная поверхность V= 17м/с; 3 - деформируемая опорная поверхность V=0

Рис. 10. Профиль колеи с шиной ФД - 14А и линии ровного парового давления

2. Распределение контактного давления по пятну контакта может быть как унимодальным, так и полимодальным в зависимости от внутреннего давления в шине, свойств грунта и скорости движения колеса рис.9.

3. В процессе колееобразования максимальное переуплотнение достигается на глубине 1-3 ширины пятна контакта и на расстояние 2-5 ширины контакта от центра пятна рис. 10.

Формально ЧДД проекта в целом (общественная эффективность ИПИ может быть только в целом) можно представить в виде:

, (24)

где Rt - величина притоков (в частности, стоимость будущего урожая, а не прибавки); Ct - текущие оттоки: эксплуатационные затраты и др.; It - инвестиции, в том числе альтернативная стоимость подключенных к проекту активов; LT - эффект, который можно получить (с учетом ликвидационных затрат) за пределами расчетного периода; d - норма дисконта, в общем случае - переменная величина.

Для расчета урожайности сельскохозяйственной культуры предложено использовать имитационную модель агроценоза яровой пшеницы, разработанную во ВНИИГиМ, в которой погодные и др. условия роста и формирования урожая будут оставаться постоянными, а плотность почвы будет задаваться по результатам ранее проведенных исследований влияния числа прохода трактора на плотность почвы.

Для оценки влияния уплотнения почвенного покрова на урожайность яровой пшеницы было поставлено серия численных экспериментов с моделью агроценза яровой пшеницы. В пакете входной информации к модели агроценоза почвенные условия задавались по характеристикам дерново-слабоподзолистой легкосуглинистой почвы (Дмитровский р-н, Московская обл.): погодные данные (1995-98гг.) и сроки сева взяты по данным метеостанции г. Долгопрудный (Московская обл.). Результаты расчетной урожайности по категориям уплотнения почвы представлены в табл. 3. Принимая ширину сельскохозяйственных орудий (используемых для выполнения полевых работ механизированным способом) от 2 до 23 м, ширину гусениц - 0,47 м, боковую деформацию 0,5 м и учитывая 8 операций полевых работ до завершения сева, можно допустить, что за весенний период вся поверхность почвы подвергается однократному воздействию.

Таблица 3. Урожайность яровой пшеницы (т/га) на почвах различной уплотненности

Год	Степень уплотнения почвы
	Не-уплотненные	Слабо-уплотненные	Средне-уплотненные	Сильно-уплотненные	Переуплотненные
1995	1,97	1,79	1,33	0,91	0,90
1996	3,20	2,83	2,00	1,69	1,42
1997	2,12	1,76	0,85	0,76	0,73
1998	1,58	1,34	0,71	0,61	0,65
Среднее	2,22	1,93	1,22	0,99	0,92

Рис. 11. Изменение плотности почвы в зависимости от числа проходов тракторов: 1- неуплотненная, 2 - слобоуплотненная, 3 - среднеуплотненная, 4 - сильноуплотненная, 5 - переуплотненная

Приведенные выше данные использованы нами в сравнительных расчетах экономической эффективности производства зерна яровой пшеницы с применением стандартного (ДТ-175С) и модернизированного тракторов (ДТ-175СИ).

Рис. 12. Динамика ЧДД двух вариантов инвестирования средств: на модернизацию техники и агромелиорацию уплотненной почвы (при нормах дисконта равных 0,06 и 0,15)

Результаты расчетов экономической эффективности по двум альтернативным вариантам показывают несомненное преимущество вложения средств в инновационную технологию, обеспечивающую сохранение почвенного плодородия в течение длительного срока за счет снижения механической нагрузки при подготовки почвы к севу в ранневесенние сроки. Именно щадящий режим обработки почвы, не допускающий ее быстрой эксплуатационной деградации, в случае модернизации трактора обеспечивает значительно большую экономическую эффективность (на 48-58%) по сравнению с использованием стандартной техники, требующей применения агромелиоративных мероприятий для восстановления агрофизических свойств деградированной почвы.

Заключение

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Обоснована структурная схема экологических взаимосвязей системы "Трактор-технология-почва". При рассмотрении экологической совместимостью этой системы и внешней среды принимаем совокупность показателей, обеспечивающих минимальное уплотнение почвы и воспроизводство культурной растительности. Реализация этой системы позволяет оценить нанесение экологического ущерба в конкретных условиях, выбрать подходящую систему машин и технологию, уточнять параметры ходовых систем тракторов и машин.