Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследований 13
1.1. Научные основы мелиорации солонцовых почв агробиологическим методом. Обобщение требований к его реализации 13
1.2. Анализ известных конструкций мелиоративных орудий. Постановка задачи выбора базовой архитектуры 23
1.2.1. Орудия с пассивными рабочими органами 23
1.2.2. Орудия с активными рабочими органами 25
1.3. Краткий анализ методов определения нагрузок на рабочие органы почвообрабатывающих машин. Постановка задачи 28
1.3.1. Экспериментально-теоретический метод 29
1.3.2. Аналитический метод 31
1.4. Краткий анализ процессов перемещения почвы. Постановка задачи 35
1.5. Краткий анализ моделей динамических систем технологических машин. Постановка задачи 39
1.6. Формулировка проблемы и задачи исследования 42
2. Целевой анализ системы мелиорирования солонцовых почв и синтез базовой структуры подпокровного агрегата 45
2.1. Выбор метода анализа и конструирования базовой структуры 45
2.2. Целевой анализ системы мелиорирования солонцовых почв 50
2.3. Методология концептуального анализа СМСП 58
2.4. Эволюция системы мелиорирования солонцовых почв 63
2.5. Матричное представление UML-диаграмм классов для компьютерной обработки. Синтез базовой структуры подпокровного агрегата 69
2.6. Выводы по главе 77
3. Моделирование нагрузок. теоретические основы метода оценки нагрузки на рабочие органы почвообрабатывающих машин 78
3.1. Обобщение метода Кулона - Мора для определения нагрузок на фрезерный рабочий орган при положении оси его вращения в вертикальной плоскости 78
3.1.1. Профиль рабочей поверхности ножа фрезы 78
3.1.2. Характер движения рабочего органа 80
3.1.3. Физико-механические свойства почвогрунта. Модель среды 81
3.1.4. Модель взаимодействия 82
3.1.5. Зависимость сил статического сопротивления, действующих на элемент рабочей поверхности от его положения 83
3.1.6. Определение угла между плоскостью вращения рабочего органа и поверхностью почвы 85
3.1.7. Определение момента статического сопротивления рабочего органа 86
3.1.8. Силы, действующие на элемент ядра уплотнения при движении 92
3.1.9. Определение момента динамического сопротивления перемещению рабочего органа 96
3.2. Применение экстремальных принципов теории пластичности к оценке предельных нагрузок на рабочие органы почвообрабатывающих машин 97
3.2.1. Условия предельного состояния почвенной среды...99
3.2.2. Формулировка теорем А.А. Гвоздева применительно к системе "рабочий орган-почва" 101
3.2.3. Определение нижней оценки нагрузки на рабочие органы 105
3.2.4. Определение верхней оценки нагрузки на рабочие органы 112
3.3. Оценка удельного сопротивления перемещению рабочего органа 123
3.4. Выводы по главе 128
4. Кинематика перемещения почвы рабочими органами 129
4.1. Влияние на сопротивление перемещению относительного скольжения почвы по поверхности рабочего органа 129
4.1.1. Модель взаимодействия 129
4.1.2. Условие скольжения и его реализация для случаев прямолинейного и вращательного движений рабочего органа 132
4.2. Теоретическое определение качества перемешивания генетических горизонтов 135
4.2.1 Определение качества перемешивания по условию "скольжение" - "залипание" 139
4.2.2. Оценка качества перемешивания посредством учета вновь образованных поверхностей контакта... 146
4.3. Выводы по главе 157
5. Математическое и имитационное моделирование динамической системы "подпокровный фрезерователь-почва-тяговая машина" 158
5.1. Принятые допущения 158
5.2. Математическая модель взаимодействия под покровом двухфрезерного рабочего органа 163
5.3. Математическое моделирование подпокровного фрезерователя как динамической системы 172
5.4. Определение основных функциональных зависимостей 177
5.5. Моделирование колебательности внешних возмущений при работе почвообрабатывающих машин случайной функцией 180
5.6. Основы методологии проведения численного эксперимента...200
5.7. Программное обеспечение численного эксперимента 203
5.7.1. Разработка функциональных требований и выбор базового пакета 203
5.7.2. Организация и логика программы 204
5.8. Выбор управляемых факторов и планирование эксперимента 206
5.9. Устойчивость системы и оценки показателей качества динамических процессов 208
5.10. Анализ достоверности результатов имитационного моделирования 212
5.11. Основные результаты численного эксперимента. Оценка влияния некоторых параметров фрезерователя на динамику 215
5.11.1 Оценка влияния жесткости трансмиссии привода фрез 215
5.11.2 Оценка влияния параметров настройки сцепки на устойчивость орудия в продольно - вертикальной плоскости 216
5.11.3 Оценка влияния скорости передвижения трактора 217
5.11.4 Оценка колебательности нагрузки на валах фрез 219
5.12. Выводы по главе 221
6. Экспериментальные исследования рабочих процессов подпокровного агрегата 222
6.1. Цель и программа экспериментальных исследований 222
6.2. Исследование влияния относительного скольжения почвы и вида профиля боковой поверхности рабочих органов на величину сопротивлений перемещению 224
6.2.1. Активные рабочие органы ротационного типа 224
6.2.2. Пассивные рабочие органы типа стойки 228
6.3. Максимальная нагрузка на рабочие органы типа плоской подпорной стенки 232
6.4. Исследование влияния конструктивных и кинематических параметров фрезерных рабочих органов на качество перемешивания 234
6.4.1. Исследования на стационарном стенде 234
6.4.2. Исследование экспериментальных рабочих органов...238
6.5. Разработка способа оперативной оценки качества перемешивания и его экспериментальная проверка 243
6.6. Экспериментальные исследования опытного образца комбинированного орудия 250
6.6.1 Конструктивные особенности и техническая характеристика орудия 251
6.6.2. Место, условия и методика исследований 253
6.6.3. Основные результаты исследований 255
6.1 Выводы по главе 259
7. Методология построения адаптивных подпокровных агрегатов 261
7.1. Методологические основы концептуального конструирования 261
7.2. Концептуальное конструирование инновационных проектов подпокровных агрегатов 267
7.3. Формирование конструктивных решений агрегированных подпокровных агрегатов 274
7.4. Построение обобщенных алгоритмов адаптации ПА, 282
7.5 Выводы по главе 286
8. Технико-экономическая эффективность разработанных технических решений 287
8.1. Технико-экономическая эффективность мелиоративной обработки солонцовых почв комбинированным орудием 287
8.2. Перспективы восстановления плодородия солонцовых почв Ростовской области 292
Общие выводы и рекомендации 294
Литература 299
Приложения 322
- Научные основы мелиорации солонцовых почв агробиологическим методом. Обобщение требований к его реализации
- Выбор метода анализа и конструирования базовой структуры
- Определение момента статического сопротивления рабочего органа
- Условие скольжения и его реализация для случаев прямолинейного и вращательного движений рабочего органа
Введение к работе
Актуальность работы. Проблема повышения эффективности сельхозпроиз-водства в степных районах России во многом связана с мелиорацией и освоением обширных площадей солонцовых земель. Только в Ростовской области площадь малопригодных каштаново-солонцовых комплексов составляет около 1,7 млн.га, а крайне недостаточное количество выпадающих осадков, равнинная малооблесенная, склонная к дефляциям территория, крайне усложняет ситуацию и выводит проблему создания соответствующих этим условиям технологий мелиорации и высокоэффективных орудий для их реализации в разряд главнейших.
В условиях засушливого климата наиболее рациональным способом мелиорации является агробиологический, при котором глубокая мелиоративная обработка направлена на механическое разрушение солонцового горизонта и перемешивание его с карбонатным. Наилучшее качество соответствующей обработки солонцов достигается подпокровным фрезерованием. Однако, существующие орудия и технологии не удовлетворяют в полной мере требованиям по важнейшим агротехническим, экономическим и экологическим показателям, при этом конструкции подпокровных фрезерователей весьма разнообразны, а оценки их эффективности сложны и достаточно противоречивы. Такое положение вызвано, прежде всего, разноплановым, несистемным подходом к решению проблемы, вследствие чего оказалась не востребована стадия технического предложения, не в полной мере использовались возможности математического и имитационного моделирования, а вопросы автоматизации управления режимом работы не рассматривались.
В этой связи построение технологий и агрегатов, обеспечивающих управляемое в заданном диапазоне динамических состояний, устойчивое и высокоэффективное функционирование системы мелиорирования солонцовых почв является важной и актуальной проблемой.
Работа выполнена по плану Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ на 2000-2005 г.г., темы 04.01 "Разработать технологии и технические средства для агробиологического мелиорирования солонцовых почв" и 34.02 "Разработать математические модели технологических процессов подпокров--юго фрезерования почв" в соответствии с Федеральной целевой программой «По-шшение плодородия почв России на 2002-2005 годы».
Цепь работы - научное обоснование технологических и технических решений товышения эффективности использования солонцовых почв путем восстановления « плодородия на основе новых информационных технологий, анализа и синтеза ба-ювых инвариантов подпокровных агрегатов, их математического и имитационного лоделирования, локальной оптимизации воздействий на элементы конструкции и ;интеза алгоритмов функционирования.
Предмет исследований. Закономерности функционирования технических :редств в процессе мелиорирования солонцовых почв и режимы их локального воздействия на почву.
Объект исследований. Технологические процессы мелиорирования солонцо-іьтх почв на основе новых информационных уе^юледш^ог^удая,^ алгоритмы их )еализации.
*=№і
БИБЛИОТЕКА і СПе - '' О»
Достоверность результатов подтверждается использованием современных іетодов исследования, строгостью постановки задачи, обоснованием принятых до-гущений, критическим анализом и заключением экспертов, а также удовлетвори-ельной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов.
Научная новизна. Разработана информационная модель сисіемьі мелиориро-ания солонцовых почв как совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих >ункниональной, статической и эволюционных структур. Синтезирован инвариант азовой структуры подпокровного агрегата реализующего глобальную цель.
Исследовано взаимодействие рабочих органов и окружающей их грунтовой реды. Построены нижние и верхние оценки нагрузки на рабочие органы различной юрмы. Получено аналитическое выражение коэффициента удельного сопротивле-ия, базирующееся на глобальном критерии прочности - сцеплении.
Предложен метод оценки качества перемешивания посредством учета вновь бразованных поверхностей контакта.
Разработаны математические модели системы "фреза-почва" и динамической ястемы "подпокровный фрезерователь-почва-тяговая машина". Предложена мето-ология имитационного моделирования динамической системы с учетом колеба-гльности внешней нагрузки, включающая реализующую компьютерную программу. Разработана методология построения адаптивных подпокровных агрегатов, эполнятощая традиционные процессы проектирования процедурами концептуаль-эго конструирования и позволяющая полностью реализовагь достигнутый научный этенциал в конкретное техническое решение и алгоритм его автоматического травления.
Практическая значимость состоит в том, что совокупность теоретических и сспериментальных исследований, информационное обеспечение практических ме-)дов проектирования комбинированных орудий, алгоритмы функционирования и гособ локальной оптимизации воздействий на элементы конструкций являются ис-)дной базой знаний для современных систем САПР и САУ и могут быть использо-1ны специалистами при создании новых и совершенствовании существующих тех-таеских средств для мелиорации солонцовых почв.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований вошли в ежведомственную координационную программу фундаментальных и приоритет-.гх прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ.
Основные результаты исследований включены в курсы лекций «Машины для мляных работ» и «Математическое моделирование машин и транспортных систем» [я студентов специальностей «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные штаны» и «Сервис и техническая эксплуатация транспортных и технологических шшн и оборудования» Южно-Российского государственного технического универ-тета (НПИ), «Динамика и прочность машин», «Строительно-дорожные машины» и Машины и оборудование природообустройства и защиты окружающей среды» Нс-черкасской государственной мелиоративной академии, «Системный анализ и давление проектами», «Системный анализ технологических и инновационных іоектов» и «Информационные технологии моделирования технологических сис-м» для студентов обучающихся по направлениям «Системный анализ и управле-іе» (магистр) и «Организация и управление наукоемкими производственными тех-логиями» (инженер-менеджер) Ростовского государственного университета.
Технология активной обработки солонцовых почв по агробиологическому методу на основе подпокровного агрегата (Технический проект орудия КОМС) включена Ростовским центром трансфера технологий в реестр приоритетных для Ростовской области.
Методология целевого анализа и концептуального конструирования внедрена и используется при проектировании новых и модернизации существующих технических систем Проектно научно-исследовательским институтом водоснабжения и во-доответвления (г. Новочеркасск).
На основе созданной информационной технологии проектирования разработано, испытано и внедрено Министерством сельского хозяйства и продовольствия Ростовской области в Веселовском и Пролетарском районах Ростовской области комбинированное почвообрабатывающее орудие для мелиорации солонцов (патент РФ №2248685) с новыми высокоэффективными пассивными и активными рабочими органами, позволяющее совмещать различные операции технологического цикла и максимально соответствовать агротехническим, экономическим и экологическим требованиям на процессы восстановления плодородия солонцовых почв.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждены и одобрены на межвузовских научно-технических конференциях "Совершенствование технологий и средств механизации производственных процессов в АПК" (г.Новочеркасск, 1998,2000,2001,2003,2005 г.г.), научно-практических конференциях ІІГМА (1991,1992,1993,2000 г.г.), Всероссийской научно-практической конференции "Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования орошаемых земель" (^Новочеркасск, 1995), Региональной научно-практической конференции "Комплексное использование и охрана водных ресурсов" (г.Новочеркасск, 1995), Всероссийской научно-практической конференции "Кадры и научно-технический прогресс в мелиорации" (г.Новочеркасск, 1996), секции "Мелиорация и орошаемое земледелие" Россельхозакадемии (г.Новочеркасск, 1998), Российской научно-практической конференции "Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК" (г.Ставрополь, 2001,2003 г.г.), VI Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем (г. Ростов-на-Дону, 2001 г.), международной научно-практической конференции "Моделирование. Теория, методы и средства" (г.Новочеркасск, 2001,2002 г.г.), II Всероссийской научно-практической конференции "Инновации в машиностроении" (г.Пенза, 2002), Региональной научно-практической конференции "Проблемы и перспективы развития мелиорации" (г.Новочеркасск, 2002), Межрегиональной научно-практической конференции "Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах" (г.Новочеркасск, 2003,2004 г.г.), Международной научно-практической конференции "Ресурсосберегающие, экологически безопасные технологии мелиорации, рекультивации и охраны земель" (г.Новочеркасск, 2004).
Проспект и макет "Комбинированное орудие для мелиорации солонцов" демонстрировались и отмечены наїрадами на Всероссийской выставке-ярмарке "Ин-нов-2003" (г.Новочеркасск), IX международной выставке "Экспо-Наука 2003" (г.Москва), Всероссийском выставочном центре (ВВЦ) (г.Москва, 2004 г.).
Публикации. По теме диссертации за период с 1991 по 2005 годы опубликовано более 50 научных работ, в том числе монография и 3 патента на изобретения.
На защиту выносятся:
обоснования технологий и технических схем подпокровных агрегагов для адаптивной мелиоративной обработки солонцовых почв;
информационная модель системы мелиорирования солонцовых почв;
алгоритмы устойчивого функционирования системы мелиорирования солонцовых почв и управления технологическими процессами;
математическое описание процессов взаимодействия рабочих органов с почвенной средой и методы определения диапазона действующих нагрузок;
математические модели элементов системы мелиорирования солонцовых почв: «фреза-почва», «подпокровный фрезерователь-почва-тяговая машина»;
закономерности процесса перемешивания генетических горизонтов ротационными рабочими органами и способы его оценки;
методология построения инновационных проектов адаптивных подпокровных агрегатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, бщих выводов и рекомендаций, изложенных на 321 страницах текста, содержит 93 ллюстрации, 15 таблиц, список использованной литературы из 260 наименований, и 3 приложений. В приложениях приведены документы, отражающие уровень прак-«еского использования результатов исследований.
Научные основы мелиорации солонцовых почв агробиологическим методом. Обобщение требований к его реализации
Проблема повышения эффективности сельскохозяйственного производства в степных районах России, главным образом в зоне каштановых почв, во многом связана с мелиорацией и освоением солонцовых земель, которые занимают площадь более 27 млн. га [170,173]. В Южном Федеральном округе наибольшие площади таких земель имеются в Волгоградской области (3137 тыс. га), Ростовской (1670 тыс. га) и Астраханской (908 тыс. га) областях, в Ставропольском крае (1644 тыс. га), а также в республиках Калмыкия (1451 тыс. га) и Дагестан (311 тыс. га) [170]. В Ростовской области около 75% солонцовых почв расположено в юго-восточных районах в пределах Доно-Сало-Маныческого междуречья [101,162]. Здесь солонцы находятся в виде небольших пятен среди зональных каштановых почв и южных черноземов и, занимая лишь четвертую часть этой территории, резко снижают плодородие всех почв комплекса.
Отечественные ученые-почвоведы Гедройц К.К., Соколовский А.Н., Кривков СП., Вильяме В.Р., Антипов-Каратаев П.Н., Фридланд В.М., Ковда В.А., Роде А.А., Кирюшин В.И., Пак К.П., Минкин М.Б., Бабушкин В.М., Са-дименко П.А. и многие другие внесли большой вклад в развитие науки о солонцах. В результате имеется ряд теорий, позволяющих с достаточной точностью связать вопросы происхождения, распространения, классификации и свойств солонцов с практической их мелиорацией.
К солонцам принято относить почвы, которые содержат в почвенно-поглощающем комплексе (ППК) в иллювиальном (солонцовом) горизонте обменного натрия более 20% от емкости поглощения, а к солонцеватым - почвы с содержанием поглощенного натрия более 5% [69,170,173].
Солонцы обладают четко дифференцированной трехчленной морфологией профиля. Их верхнюю часть образует гумусовый (надсолонцовый) горизонт (А). Среднюю часть профиля образуют столбчатый иллювиальный солонцовый (В\) и подсолонцовый горизонты (В2). Нижнюю часть профиля формируют переходный горизонт (ВС) и материнская порода (С). На рис. 1.1. показан разрез типичного для юго-востока Ростовской области мелкого малонатриевого солонца (В.М.Бабушкин) имеющего следующее строение профиля: А - гумусово-элювиальный (надсолонцовый) горизонт мощностью 7-8 см, серый с комковато-пылеватой структурой, пористый; В\ - солонцовый иллювиальный горизонт мощностью 18-20 см, коричневато-бурый с выраженной столбчатой структурой, плотный, в сухом состоянии трещиноватый, трудно раздробляется; В2 - подсолонцовый горизонт более светлой окраски, с крупноореховатой структурой, содержит карбонаты в виде белоглазки, выделения легкорастворимых солей; ВС - переходный горизонт с большим количеством легкорастворимых солей, гипса и карбонатов. Солонцовые горизонты В\ и В2 отличаются большой способностью к набуханию, связыванию воды, что сокращает доступ влаги к корням. В набухшем состоянии они становятся водоупором, из-за чего влага атмосферных осадков и талых вод застаивается в горизонте А, переувлажняя его, а в засушливые периоды быстро испаряется. В сухом состоянии эти горизонты непроницаемы для корней, а те, которые смогли проникнуть в них раньше, при высыхании солонцов и образовании трещин разрываются и отмирают [21,69,82,85,162,170,173,220]. По системе проявления признаков гидроморфизма солонцы подразделяются на три типа - автоморфные, полугидроморфные и гидроморфные. Принятая классификация солонцов, основанная на классификации почв СССР (1977) [69] приведена в табл. 1.1. Дифференциация солонцовых почв по генетической принадлежности (подтип) позволяет оценивать перспективы их мелиорации. Так наименее благоприятны в мелиоративном отношении черноземные солонцы из-за резко выраженной щелочной реакции и наличия соды, а наиболее благоприятны солонцы каштановые и полупустынные в которых относительно неглубоко от дневной поверхности залегает гипс. Родовые признаки различают солонцы по типу, глубине и степени засоления, а также по глубинам залегания карбонатов и гипса. Видовые признаки позволяют дифференцировать солонцы по мощности надсолонцового горизонта (А), содержанию поглощенного натрия в солонцовом горизонте (В]) и по его структуре. В работе [173] предлагается дополнить классификацию экологическими показателями солонцов, соответствующими их культурному состоянию: целинные, освоенные, преобразованные и глубокопреобразованные ("бывшие"). Природное плодородие солонцов в естественном состоянии и при обычной вспашке крайне низко. Даже в благоприятные по увлажнению годы урожай на солонцах в 2-3 раза ниже, чем на находящихся в комплексе с ними каштановых почвах, а в засушливые годы они практически ничего не дают [84,85,97,173,220].
Выбор метода анализа и конструирования базовой структуры
Известно [204], что 50-70% общих причин дефектов продукции связано с ошибками в проектно-конструкторских решениях, 20-30% с технологией изготовления и только 5-15% с непосредственным изготовлением. Поэтому игнорирование на стадии технического предложения поиска оптимальной конструкции (структуры) машины может привести к тому, что полученные каким-либо образом оптимальные параметры принятого к анализу объекта исследований, не будут являться оптимальными по определению и не смогут гарантировать наилучшее выполнение работ определяемых техническим заданием.
В этом случае создание системы следует начинать с разработки концептуальной модели [196], т.е. осуществить переход от содержательного описания к ее формализации, например, от структуры целей или функциональных требований к модели. При этом основным моментом является определение исходных концепт, принципиально позволяющих в соответствии с поставленными целями выделить во внешней среде структуру системы и выявить ее поведение [186].
Совокупность методов и моделей, предназначенных для обоснования решений, принимаемых на этапах анализа, разработки и эксплуатации сложных систем различной природы определяет теория принятия решений [98]. Выбор методов зависит от класса анализируемых проблем, к основным из которых относят структурированные и слабоструктурированные.
Методы и модели исследования слабоструктурированных систем подробно рассмотрены в работах О.И.Ларичева [98], где центральной фигурой является лицо, принимающее решение (ЛПР), которое и определяет курс, тактику и стратегию действий. ЛПР может ориентироваться и на теорию полезности С.Фишберна [211], которая определяет некоторую функцию полезности, объе 46 диняющую критерии дохода за весь жизненный цикл рассматриваемого объекта и критерии затрат или рисков, рассчитанных за тот же период времени. Аналогичные методы принятия в условиях риска приведены в работах Э.Мушика и П.Мюллера [164].
Предметно-ориентированные системы, такие как рассматриваемая система мелиорирования солонцовых почв, относятся к структурированным, для которых минимизировать влияние субъективного фактора при поиске рациональной структуры позволяют специальные методы проектирования, методология которых базируется на системном подходе, использующего принципы декомпозиции, иерархичности, локальной оптимизации и комплексного осуществления процесса проектирования, включающего функциональный, конструкторский и технологический аспекты. В этом случае параметрами структурной модели являются признаки функциональных или конструктивных элементов, из которых состоит технический объект и по которым возможные варианты (альтернативы) структуры объекта отличаются друг от друга. Эти параметры называются морфологическими переменными [6,172,204]. Структурные модели могут иметь форму таблиц, матриц и графов. Наибольшее распространение получили метод морфологического анализа и синтеза, основные положения которого приводятся а работах Амирова Ю.Д. [6], Капустян В.М. [79], Чус А.В., Данченко В.А. [217], Половинкина А.И. [172], Джонсона Дж.К. [56], Мюллера И. [166], Диксона Д.[57], а также автоматизированная версия с применением древовидных графов типа И-ИЛИ дерева, развиваемая Половинкиным А.И. [3], Та-расиком В.П. [204], Жуком К.Д. [176] и многими другими.
Применительно к решению проблемы анализа и синтеза сельскохозяйственных, почвообрабатывающих и посевных машин основные положения сформулированы в работах Липковича Э.И. [99], Лурье А.Б. [103,105], Беспамятно-вой Н.М. [16,17], Синеокова Г.Н., Панова И.М. [191] и других.
В качестве критерия оптимальности в [17] используется функция желательности, которая строится на основе расчетных суммарных показателей, характеризующих технологический процесс в целом, а методология синтеза осно 47 вывается на целенаправленном подборе изменений структуры «рабочий орган-почва», выраженных посредством термодинамических характеристик. Такой подход позволяет получить качественное решение, однако предполагает наличие количественных оценок, что при проектировании новых малоисследованных машин вызывает определенные трудности.
Методы основаны на комбинаторике. Наиболее распространенная модификация [172,176] основана на функциональном подходе. В качестве признаков (фактор-требование) берутся необходимые функции рассматриваемого объекта, а в качестве альтернативных вариантов различные способы реализации каждой функции.
Определение момента статического сопротивления рабочего органа
Предложенный аналитический метод расчета момента сопротивления на рабочем органе устанавливает зависимость момента сопротивления от физико-механических свойств разрабатываемой почвы, скорости перемещения, и профиля рабочей поверхности исполнительного органа.
Следует отметить, что, несмотря на выбор в качестве базовой простейшей модели Кулона с плоскими поверхностями скольжения, выражения для определения момента имеют достаточно громоздкий вид и могут быть решены только численными методами с использованием ЭВМ. Это затрудняет применение таких моделей в сложных динамических системах и делает их неприемлемыми для фрез, работающих в режиме закрытой борозды (под покровом).
Ряд решений [12,31,199], в том числе и приведенные в п.3.1, показывает, что теоретически проблему нагрузок с учетом сложных физических процессов взаимодействия рабочих органов с почвенно-грунтовой средой можно решать только различными численными методами, но использование численных методов имеет свои трудности, связанные с оценкой точности как разработанной модели, так и вычислительных операций. Существует проблема, связанная с существенной и неустранимой неопределенностью исходных данных.
Поэтому очевидна необходимость в оценке эффективности алгоритма с помощью специальных тестовых задач или сопоставление полученных результатов с экспериментальными данными и известными решениями аналогичных задач других авторов, что вызывает определенные трудности.
Таким образом, актуальной является разработка метода поиска достаточно простых, решаемых аналитически, оценок рабочей нагрузки по верхнему и нижнему значениям.
Теоретической основой получения таких оценок являются экстремальные свойства предельных состояний текучести, описываемые двумя теоремами А.А. Гвоздева, впервые опубликованными в работе [41] и получившими широкую известность благодаря монографиям Ю.Н. Роботнова [180] и Я.А. Каменяржа [78]. Из них следует, что можно достаточно простыми аналитическими методами определить верхние и нижние оценки нагрузки, которые покажут диапазон значений, где находится истинное решение. В случае совпадения верхней и нижней оценок можно говорить о точном решении.
Заметим, что при взаимодействии рабочих органов с почвой не учитывается естественное для работников сельского хозяйства различие между почвой и грунтом в биологическом смысле (как плодородной и минеральной частями верхнего слоя земной коры). В данном случае анализируется не реальные рабочие органы и почва, а некоторая эквивалентная (в силовом смысле) расчетная модель, где рабочий орган представляется подпорной стенкой, а почва - сплошной идеально пластической средой, моделирующей при разрушающих нагрузках механическое поведение почв и грунтов. Такая модель различает почву и грунт только по величине прочностных характеристик (сцепление и внутреннее трение), что значительно упрощает ее математическое описание при сохранении высокой наглядности. В частности, почва, как гумусовый слой с корневой системой растений, может рассматриваться как среда с изменяющимися по направлению свойствами, т.е. анизотропная идеально пластическая среда. В этой связи все понятия, используемые в дальнейшем - почва, грунт, почво-грунт или почвенная среда - употребляются, если не ого-ворено дополнительно, как расчетная модель, отражающая некоторые механические свойства этих понятий. Рассмотрим условия предельного состояния грунтов в предположении, что основным механизмом разрушения является сдвиг. Но в частных случаях, например в суглинках, сдвиг может включать и микроотрывы. Известно [70,74], что функцией, определяющей состояние материала, может являться функция текучести, аргументами которой служат компоненты тензора напряжений /{о у) Так, если /{ 3у) 0, то все деформации стабилизированы и грунт находится в состоянии допредельном, при /(а(у)=0 грунт находится в состоянии текучести, и деформации накапливаются безгранично.
Условие скольжения и его реализация для случаев прямолинейного и вращательного движений рабочего органа
В соответствии с первым направлением предлагаемое концептуальное конструирование включает метод расчета момента сопротивления на работающей в несвязной среде фрезе с профилем рабочей поверхности по логарифмической спирали. Во втором случае на основе экстремальных принципов теории пластичности получены ограничительные режимы локального воздействия на почву, обеспечивающих устойчивое функционирование подпокровного агрегата, так называемые, нижние и верхние оценки. 2. Приведены формулировки теорем А.А. Гвоздева применительно к системе «рабочий орган - почвогрунт». 3. На базе формул верхних оценок получено выражение для аналитического определения коэффициента удельного сопротивления, базирующиеся на глобальном критерии прочности грунтов - сцеплении с. С целью уточнения картины взаимодействия, которая могла бы объяснить известный факт снижения нагрузки в случае наличия скольжения почвы по поверхности рабочего органа [50,55,71,155,191,220], а так же подтверждения некоторых ранее сделанных предположений, была проведена серия экспериментов на модели с рабочими органами ротационного типа, при взаимодействии их с несвязной сплошной средой, в качестве которой использовался речной песок [107]. На первом этапе исследовались рабочие органы с различными профилями, на которых относительное скольжение или заведомо не происходило (прямолинейный профиль) или полностью обеспечивалось (профиль по логарифмической спирали). Второй этап проводился на тех же рабочих органах, но с закреплением на них специальной пластины, препятствующей относительному скольжению. Эти эксперименты позволили уточнить модель взаимодействия и количественно оценить влияние параметров рабочей поверхности на наличие относительного скольжения и, соответственно, на величину нагрузки. На первом этапе наилучший результат показал профиль по логарифмической спирали с показателем к = 0,8. При этом относительное движение песка по поверхности рабочего органа наблюдалось по всей его длине и на любом участке траектории, что обеспечило снижение нагрузки в 1,46 раза по сравнению с прямолинейным профилем и подтвердило правильность принятых допущений при выводе выражения (4.1). Установка на втором этапе подпорных пластин полностью изменила картину взаимодействия, подтвердив в свою очередь предположения п.3.1. о формировании (в случае отсутствия относительного скольжения) "залипшего" на рабочем органе ядра уплотнения. При движении это ядро уплотнения взаимодействует с остальным массивом своей внешней гранью, выступающей в этом случае в роли новой рабочей поверхности. Такое изменение характера взаимодействия привело к увеличению нагрузок для всех рассматриваемых профилей в 1,1...1,4 раза, соответственно.
Точное теоретическое описание процесса с учетом веса среды, внутреннего и внешнего трения получить на базе теории сплошной среды практически невозможно. Решение методами аналитической механики носит условный характер и не раскрывает физику взаимодействия. Этим можно объяснить преобладающее на сегодняшний день объяснение влияния скольжения в рамках терминов: "выпирание в сторону свободной поверхности" - "вдавливание в массив". Поэтому вполне оправдано применение простейших моделей теории сплошной среды, например, метода Кулона, в котором поверхности скольжения принимаются плоскими [140]. Несмотря на некоторое количественное несоответствие, эта модель в качественном смысле отражает реальные процессы и позволяет наглядно представить картину взаимодействия для случаев "скольжение" - "залипание".
Предположим, что в почве параллельно его свободной поверхности (ось X) равномерно перемещается рабочий орган в виде наклоненной под некоторым углом є к вертикали негладкой подпорной стенки АВ (рис.4.1а). Угол є обеспечивает относительное перемещение некоторого объема почвы ABC по поверхностям сдвига АВ и ВС (рис.4.1а). Равнодействующая максимального (пассивного) давления Q отклонена от нормали на угол внешнего трения фо.
При невозможности относительного движения почвы по плоскости АВ, например, из-за подпорной пластины АЕ, или недостаточного угла наклона є (рис.4.16) перед подпорной стенкой образуется ядро уплотнения ABDE, которое при движении подпорной стенки перемещается вместе с ней. Поверхность сдвига DE ядра уплотнения наклонена к вер- тикали под углом є , величина которого не зависит от угла наклона є подпорной стенки АВ, а определяется свойствами почвенной среды. В этом случае поверхность сдвига ED действует как новая подпорная стенка, равнодействующая давления Q на которую отклонена от нормали на угол внутреннего трения ср.
