Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 14
1.1. Состояние и перспективы развития обработки почвы 14
1.2. Краткая история развития теории почвообработки 17
1.3. Модели почвогрунтов и расчетные схемы процесса взаимодействия клина с почвой 21
1.4. Проблемы управления качеством обработки почвы 34
1.5. Постановка проблемы. Цель работы и задачи исследования . . 43
ГЛАВА 2. МОДЕЛИ ПОЧВЕННОЙ СРЕДЫ КАК ОБЪЕКТ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 48
2.1. Почва как объект механической обработки 48
2.2. Структурно-логическая модель строения почвенной среды ... 53
2.2.1. Принцип целостности почвы как системы; 55
2.2.2. Основные элементы почвенной системы 58
2.2.3. Логические модели почвенной системы 64
2.2.4. Модель строения почвы 70
2.3. Энергетические аспекты межфазных взаимодействий 77
2.4. Оценка прочности почвенной среды 81
2.4.1. Модель межфазных взаимодействий в почве 83
2.4.2. Модель прочности почвенной среды 88
2.5. Уравнения равновесия сплошной почвенной среды в предель
ном напряженном состоянии 92
2.6. Критерии оценки прочности почвенной среды 96
2.7. Принципы построения модели разрушения почвы 99
Выводы по главе 104
ГЛАВА 3. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРУШЕНИЯ ПОЧВЫ 105
3.1. Разрушение почвы как физический процесс 106
3.2. Схемы, критерии, теории разрушения почвы 113
3.2.1. Схемы разрушения почвы 113
3.2.2. Критерии разрушения почвы 116
3.2.3. Теории разрушения почвы 118
3.3. Определение напряжений на рабочей поверхности клина ... .125
3.4. Анализ и сравнение теоретических исследований с экспериментальными данными 134
3.5. Методы повышения эффективности разрушения почвы 139
Выводы по главе 144
ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КЛИНА С ПОЧВОЙ 146
4.1. Модель процесса взаимодействия клина с почвой 147
4.1.1. Теоретическое обоснование влияния скорости на
сопротивление клина 149
4.1.2. Критическая скорость резания почвы 153
4.1.3. Тяговое сопротивление двугранного клина 157
4.1.4. Тяговое сопротивление трехгранного клина 161
4.1.5. Теоретический и экспериментальный анализ формул
тягового сопротивления клиньев 162
4.2. Энергетическая оценка технологического процесса обработки
почвы 171
4.2.1. Энергоемкость технологического процесса 173
4.2.2. Метод оценки энергозатрат процесса разрушения
почвы 174
Выводы по главе 186
ГЛАВА 5. ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ЭНЕРГОПОЧВОСБЕРЕАЮЩИХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН 188
5.1. Основы разработки почвообрабатывающих машин для минимальной энергопочвосберегающей технологии 188
5.1.1. Анализ функционирования МТА как системы 188
5.1.2. Проблемы и тенденции развития обработки почвы 193
5.1.3. Основы минимальной обработки почвы 197
5.1.4. Обоснование необходимости создания плоскорезов-щелевателей 201
5.2. Обоснование параметров рабочих органов плоскореза-щелевателя 204
5.2.1. Выбор типа рабочих органов 204
5.2.2. Параметры рабочих органов лапы и щелереза 224
5.3. Конструктивные схемы и параметры плоскореза-щелевателя. . . 240
5.3.1 .Определение ширины захвата и скорости движения орудия 241
5.3.2. Обоснование конструктивных схем и параметров орудия . . 242
5.3.2.1. Определение рациональных параметров плоскореза-щелевателя с жесткой рамой 244
5.3.2.2. Определение рациональных параметров секционных плоскорезов-щелевателей 256
5.3.3. Силовой анализ плоскореза-щелевателя 262
5.4. Результаты экспериментальных исследований 267
Выводы по главе 272
ГЛАВА 6. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА 275
6.1. Разработанные машины, их характеристики, внедрение и
эффективность 275
6.2. Экономическая эффективность использования плоскорезов-щелевателей 284
6.3. Перспективы развития научных исследований по созданию почвообрабатывающих машин для энергопочвосберегающих технологий 290
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 292
ЛИТЕРАТУРА 297
ПРИЛОЖЕНИЯ 320
- Состояние и перспективы развития обработки почвы
- Почва как объект механической обработки
- Разрушение почвы как физический процесс
- Модель процесса взаимодействия клина с почвой
- Основы разработки почвообрабатывающих машин для минимальной энергопочвосберегающей технологии
Введение к работе
Почвенный покров земли по значимости и роли для всего человечества сравним лишь с озоновым слоем планеты. Почва - это важнейший компонент экологической среды. Поэтому задачи рационального использования почв, сохранения и расширенного воспроизводства их плодородия являются актуальными.
Проблема получения высоких и стабильных урожаев, бесспорно, одна из главных задач в сельскохозяйственном производстве. Урожайность сельскохозяйственных культур зависит во многом от уровня плодородия почвы. На плодородие почв и урожайность культур оказывает влияние качество обработки, которое, в первую очередь, определяется плотностью сложения пахотного горизонта почвы. Установившееся у земледельцев стремление применять разнообразные приемы обработки почвы для наиболее полного использования естественного плодородия вступило в конфликт с отрицательным последствиями многочисленных операций: распылением и переуплотнением почвы. Последние явились причиной резкого снижения плодородия почвы и урожайности культур.
Земледелие России в настоящее время функционирует в режиме необеспеченного воспроизводства плодородия почвы. Предпринятые попытки восстановления почвенных основ путем интенсивного применения минеральных удобрений и мелиорации не дали ощутимого результата. Катастрофическое снижение плодородия объясняется нерациональным применением технологий обработки почвы, неэффективностью использования энергетических машин и агрегатов.
В стране насчитывается около 50 разновидностей почв, обработка которых должна проводиться дифференцированно. Для выполнения всех операций обработки почвы предусмотрены более 150 почвообрабатываю- щих машин, в том числе 97 из них требующих коренного совершенствования [118].
Важнейшим требованием к перспективной почвообрабатывающей технике является снижение энергоемкости выполняемых технологических процессов на 15-20 % при существенном повышении качества обработки почвы. На ближайшую перспективу научные исследования в области обработки почвы (почвообработки) будут направлены на разработку: систем зональных почвоэнергосберегающих технологий и комплексов районированных машин; оптимального типажа модульных унифицированных машин и агрегатов высокого технического уровня; комплекса комбинированных агрегатов, орудий для ярусной и послойной обработки почвы, машин с активными рабочими органами; набора машин с автоматизированным регулированием скорости и ширины захвата агрегата; почвозащитных и экологически чистых технологий и технологических процессов "почвофильной" энергосберегающей обработки; высокоадаптивных сменных рабочих органов щадящего воздействия на почву, обеспечивающих получение программируемых агротехнических показателей качества обработки при минимальных энергозатратах.
В комплексе работ, направленных на решение поставленных задач, важное значение имеют теоретические исследования технологических процессов обработки почвы рабочими органами. Именно от степени соответствия рабочих органов их назначению зависит качество работы машин, их производительность и энергоемкость процесса. Лишь при наличии теоретической модели процесса взаимодействия рабочих органов с почвой становится возможным разрабатывать механико-технологические основы обработки почвы, моделировать технологический процесс и решать практические задачи земледельческой механики.
Важным условием развития теории почвообработки являются фундаментальные исследования процессов взаимодействия рабочих органов и орудий с почвой. Следует признать приоритетным направлением изыскание и определение закономерностей деформации и разрушения почвы. В результате исследований последних лет стало очевидным, что физическое понимание и математическое описание деформации и разрушения почвы открывают перспективы создания математических, технологических и других моделей теории почвообработки. Первостепенное значение при этом имеют задачи выявления дискретности строения и структуры почвенной среды, изменчивость ее физико-механических свойств во времени и пространстве.
Реальная почва представляет собой дисперсную среду, состоящую из твердой, жидкой и газообразной фаз. В зависимости от их соотношений почва может представлять свойства вязких, пластичных, упругих и хрупких тел. Почва неоднородна и имеет множества микро- и макротрещин. Вокруг них происходит концентрация напряжений и разрушение межагрегатных связей. От свойств почвы и способа воздействия деформатора зависит вид напряженно- деформированного состояния (НДС). Отсюда следует задача, каким образом создавать НДС почвы, при котором реализуется качественное выполнение технологических операций обработки почвы с минимальными затратами. Комплекс таких задач может быть решен при совместном использовании достижений в смежных областях науки: физики почв, механики разрушения тел и т.д. При этом появляется возможность выявлять общность и различие подходов к проблеме разработки основных принципов построения модели разрушения почвы, ее физико-механических и математических основ. Вследствие этого актуальной. является задача изыскания таких методов расчета и проектирования рабочих органов и орудий, которые позволили бы создавать перспективные энергопочвосберегающие почвообрабатывающие машины.
Целью работы является разработка почвообрабатывающих машин, отвечающих требованиям энергосберегающих технологий, на основе исследования процесса разрушения почвы рабочими органами.
Объектом исследования служит технологический процесс работы почвообрабатывающих машин.
Предмет исследования состоит в выявлении закономерностей взаимодействия рабочих органов и орудия с почвой.
Научная новизна исследований заключается в разработке общей схемы решения задач технологического воздействия почвообрабатывающих рабочих органов и орудий на почву: развиты теоретические принципы построения модели строения почвы и физико-механических основ ее разрушения; определены уравнения состояния и критерии оценки процесса разрушения почвы; разработана модель технологического процесса взаимодействия клина с почвой; получены уравнения и установлены закономерности изменения энергетических и агротехнических показателей работы почвообрабатывающих машин; проведена энергетическая оценка технологического процесса взаимодействия рабочих органов на почву; разработаны основы минимальной почвозащитной, энергосберегающей обработки почвы, и получены методы расчета кинематических, технологических, энергетических параметров плоскорезов-щелевателей.
Практическая ценность работы исследований состоит в том, что разработаны механико-технологические основы разработки энергопоч-восберегающих почвообрабатывающих машин, позволившие обосновать типы и параметры рабочих органов для плоскорезной обработки с одновременным щелеванием почвы и дать рекомендации по выбору основных конструктивных схем и параметров плоскореза-щелевателя к тракторам класса тяги 3 и 5. Плоскорезы-щелеватели способствуют увеличению производительности агрегата на 10...25 %, повышения равномерности глубины обработки на 40... 80 %, улучшению энергетических, агротехнических, эксплуатационных показателей работы, снижению энергоемкости обработки почвы по сравнению с плоскорезами и глубокорыхлителями, предотвращению водной и ветровой эрозии, сохранению плодородия почвы и повышению урожайности сельскохозяйственных культур.
Реализация научно-технических результатов. Ряд теоретических положений, методов расчета и проектирования переданы в ГСКБ-ПЭТ (г. Целиноград) и использованы отделом "Почвообрабатывающие машины" при создании плоскорезов-щелевателеи, которые прошли государственные испытания на пяти машино-испытательных станциях и рекомендованы к серийному производству. Материалы исследований реализованы в двух утвержденных исходных требованиях на создание плоскорезов-щелевателеи ПЩ-3 и ПЩ-5 к тракторам класса тяги 3 и 5.
НТС Госагропрома РСФСР (1987г.) одобрил и рекомендовал для широкого внедрения в производство плоскорезов-щелевателеи. Разработаны рекомендации по переоборудованию серийных орудий ОПТ-3-5 и-КПШ-5 на плоскорезы-щелеватели, которые одобрены НТС Госагропрома РСФСР и изданы центром научно-технической информации и рекламы.
Плоскорезы-щелеватели экспонировались на выставке "Пути интенсификации сельскохозяйственного производства. Разработки НИИ и вузов Минсельхоза СССР.", состоявшейся в ВИМе. В 1998 г. материалы диссертационной работы одобрены на V секции "Система машин и механизмов в агропромышленном комплексе." выездного заседания Президиума Рое-сельхозакадемии по теме "О разработке и освоении региональных систем ведения агропромышленного производства (опыт, результаты).".
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях ЧИМЭСХ (ЧГАУ), Казанского СХИ, Акмолинского агроуниверситета, НПО "Казсельхозме-ханизация", на заседаниях отдела "Почвообрабатывающие машины" ГСКБ - ПЭТ (1982-1990 гг.), а также на расширенном заседании НТО ГСКБ-ПЭТ (1984-1988 гг.).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 25 работах.
Объем работ. Диссертационная работа изложена на 356 страницах, включая 87 рисунков и 20 таблиц, состоит из введения, шести глав, выводов, содержит 262 наименования списка литературы и 36 страниц приложений.
Первая глава посвящена изучению состояния и развития теории почвообработки, анализу существующих моделей почвогрунтов, рассмотрению проблем управления качеством обработки почвы. Дана характеристика рассматриваемой проблемы, показана ее актуальность, сформулированы цель работы и задачи, выносимые на защиту.
Во второй главе обосновываются основные принципы построения модели разрушения почвы. Полученные результаты согласуются с общими идеями физики деформирования и разрушения почв, сформулированными на основании теоретических и лабораторных исследований. Исследуются вопросы деформирования и разрушения почвенных сред применительно к обработке почвы. Развитие идей энергетической концепции оценки процесса обработки почвы позволило обосновать схемы, критерии и модели разрушения почвы.
В третьей главе рассмотрены физико-механические основы разрушения почвы, базирующиеся на концепции связи разрушения на микро- и макроуровнях. Предложена модель, объединяющая статистический (для описания структурно - логической модели строения почвы) и детерми- нированный (для описания условий и критериев оценки процесса разрушения почвы) подходы.
В четвертой главе изложены основы моделирования технологического процесса взаимодействия клина с почвой. Получены аналитические зависимости и методы расчетов, позволяющие оценить энергоемкость технологического процесса обработки почвы.
В пятой главе освещены вопросы разработки почвоэнергосбере-гающих почвообрабатывающих машин. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию конструктивных схем и параметров рабочих органов и орудий плоскорезов-щелевателей.
В шестой главе даны технические характеристики и результаты испытаний плоскорезов-щелевателей, сведения об их внедрении в производство и оценка экономической эффективности предлагаемых почвообрабатывающих агрегатов.
Работа выполнена в Челябинском агроинженерном университете на основании договоров о творческом содружестве с ВИМ, ВИСХОМ, ГСКБ-ПЭТ, НПО "Целинсельхозмеханазации и предприятиями Госагропрома.
Исследования, составившие основу диссертационной работы, выполнены в период 1982-1998гг. по тематическим планам научно - исследовательских работ и в соответствии с Государственными программами ГКНТ СССР. 0.51.11, задание 03.04.05 "Плоскорезы-щелеватели к тракторам класса тяги 3 и 5"; задание 02.06 (СЭВ) "Разрабатывать агротехнические требования и изготовить макетные образцы высокопроизводительной противоэрозионной техники"; межведомственными программами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОСХ.109"Разработать и внедрить машины и орудия для защиты почв от водной, ветровой и других видов эрозии, предусмотренные системой машин на 1981-1990г. и обосновать новые технологические процессы и средства механизации, удовлетворяющие требованиям почвозащитного земледелия".
Надеемся, что поднятые в настоящей работе проблемы и пути их решения будут способствовать дальнейшему прогрессу теории почвообра-ботки и создадут предпосылки к построению САПР для почвообрабатывающих машин.
Автор выражает признательность коллегам по кафедре "Почвообрабатывающие и посевные машины" (ЧГАУ) за оказанную помощь при проведении экспериментальных исследований, поддержку и ценные советы при написании диссертационной работы. Особенно благодарен докт. техн. наук, проф. Р.С. Рахимову, который внес много полезных предложений по улучшения ее содержания. Глубоко признателен докт. техн. наук, проф. В.А. Жилкину за ценные советы по улучшению содержания диссертационной работы и устранению ряда недостатков.
Автор сохраняет постоянное чувство глубокой благодарности докт. техн. наук, проф. А.И. Любимову, под руководством которого начинались исследования по созданию энергопочвосберегающих почвообрабатывающих машин.
Состояние и перспективы развития обработки почвы
Современное состояние земледельческой механики показывает, что на ближайшую перспективу превалирующим остается механический способ обработки почвы с использованием тракторной тяги [118,119,127].
Механическая обработка почвы предусматривает:
- создание и сохранение оптимальной структуры почвы, как основы
развития культурных растений и получения высоких урожаев;
-заделку в почву (отвальная обработка) или сохранение на поверхности поля (безотвальная обработка) растительных остатков;
- борьбу с сорной растительностью;
- максимальное накопление в почве влаги и предотвращение ее непродуктивных потерь;
- эффективная защита почвы от эрозий и переуплотнения;
- сохранение и повышение плодородия почвы.
Возделыванию любой культуры в растениеводстве предшествует обработка почвы почвообрабатывающими орудиями, к которым предъявляются следующие требования:
- высокое качество выполняемых работ;
- повышение производительности агрегата;
- рациональное использование энергии;
- снижение прямых издержек на получение единицы продукции.
Выполнение этих требований связано с основными тенденциями развития почвообрабатывающей техники, которые состоят в следующем:
- увеличение ширины захвата и рабочих скоростей орудий;
- создание новых рабочих органов и орудий, обеспечивающих выполнение агротехнических требований;
- совмещение технологических операций;
- разработка и внедрение машин с активными рабочими органами;
- разработка и применение машин, оборудованных системами автоматического управлениям регулирования технологическими процессами.
Существующая тенденция развития почвообрабатывающей техники определяется, главным образом, уровнем развития тракторостроения. Современное тракторостроение характеризуется устойчивым ростом единичной мощности тракторов. Это требует более полной загрузки двигателя трактора. Увеличение мощности двигателя ведет к повышению производительности машинно-тракторного агрегата (МТА) [119,131,203]. Однако темп прироста производительности МТА отстает от темпа прироста мощности двигателя. Причем разница тем больше, чем выше энергонасыщенность трактора. Это объясняется существующей тенденцией повышения производительности МТА за счет увеличения ширины захвата и рабочей скорости орудия. Последние имеют ряд ограничений [131,203]. Так, реализация возрастающей мощности трактора путем увеличения ширины захвата ведет к росту массы и удельной материалоемкости орудия, ухудшению маневренности и управляемости агрегата. Дальнейшее повышение рабочей скорости орудия сдерживается ростом удельной энергии, отсутствием устойчивого вождения агрегата и т.д. Эти и другие факторы отрицательно сказываются на состоянии и условии обработки почвы, вызывая такие негативные последствия, как уплотнение пахотного и подпахотного горизонтов, эрозия почв, увеличение энергоемкости технологического процесса и
МОДЕЛИ ПОЧВЕННОЙ СРЕДЫ КАК ОБЪЕКТ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 48
Почва как объект механической обработки
Почва - это не только среда обитания живых и растительных организмов, но и среда, способная давать урожай культурных растений при ее рациональном возделывании. В систему мер по возделыванию почвы, в первую очередь, входит ее механическая обработка различными типами орудий, которые выполняют операции рыхления, оборачивания, перемещения, выравнивания, крошения и уплотнения.
Чтобы создавать энергетически экономичные и эффективные почвообрабатывающие орудия, необходимо знать и учитывать состав, структуру, основные физические и механические свойства почвы. При изучении почвы, как объекта механической обработки, инженера интересуют свойства, прямо или косвенно отражающие ее прочностную характеристику: плотность, пористость, влажность, трение, сцепление. Эти свойства почвы зависят от состава и соотношения входящих в нее компонентов, а также от вида их внутренних связей.
Почва включает в себя три фазы: твердую, жидкую и газообразную [31,43,172,207]. Основу почвенного строения составляет твердая фаза. Она формируется из элементарных частиц различной формы и размеров, склеенных почвенными коллоидами (органическими и минеральными веществами). Количественное соотношение элементарных частиц твердой фазы составляет главную задачу гранулометрического анализа почвы [172]. Коллоиды в почве ускоряют процесс укрупнения и склеивания почвенных частиц, при котором образуются первичные соединения - микроагрегаты (частицы размером менее 0,25 мм). Из микроагрегатов в процессе химических, физических и биологических воздействий формируются вторичные соединения - макроагрегаты (частицы размером более 0,25 мм) [107].
Считается, что при механической обработке почвы нельзя допускать ее разрушения до частиц меньше 0,25 мм, так как это ведет к разрушению структуры агрегатов и, как следствие, к уплотнению и эрозии [17].
Из многообразия возможных внутренних связей твердых частиц почвы следует выделить: связи трения (сухого или жидкостного), пленочные и жесткие связи. Моделью почвы со связями сухого трения может служить сухой промытый песок. Пленочные связи преобладают у почвы в состоянии так называемой "физической спелости". В качестве модели почвы с жесткими связями принимают сухую связанную почву. В зависимости от того, какие виды связей преобладают, можно судить о прочностных свойствах рассматриваемой почвы [70].
Почва обладает свойством обратимости связей: сухие малосвязные почвы при небольших деформациях могут превратиться в сыпучую среду, а при увлажнении жесткие связи заменяются пленочными или даже жидкостными в зависимости от степени увлажнения. И наоборот, почвы, имеющие жидкостные связи, при высыхании способны замениться более прочными связями [80].
Из приведенного материала с инженерных позиций можно заключить, что почва - дисперсная среда, состоящая из твердой, жидкой и газообразной фаз, способная обладать различными по прочности связями частиц с обратимым характером.
Форма взаимного расположения твердых частиц в почвенном объеме характеризует структуру почвы. Если почвенные частицы соединены в агрегаты, имеющие различную прочность связей, то такую почву называют структурной. Агрегатная структура почвы является результатом совместного действия химических, физических и биологических процессов. Улучшению именно этих процессов служит рациональная механическая обработка почвы. Свойства почвы определяют ее агрегатную структуру.
Разрушение почвы как физический процесс
При описании процесса разрушения почв используют различные подходы. В основном они базируются на механике разрушения твердых гел [26,64,71,75,83,137,138,171,175,197,199,200,201,202,208,219,220,253]. В механике широкое распространение получили силовые критерии прочно-:ти. Их идея сводится к тому, что разрушение может произойти лишь тотда, когда соответствующее напряжение или какая-либо комбинация напряжений достигнет максимально возможной критической величины. В схеме Давиденкова-Фридмана [64,106] применяют два силовых критерия: по нормальному и касательному напряжениям. Если предельной величины достигает максимальное главное нормальное напряжение, то происходит разрушение отрывом по площадке, перпендикулярной направлению действия названного напряжения. Если же до критической величины повышается максимальное касательное напряжение, то тело разрушается сдвигом по плоскости действия данного напряжения. Эти две схемы разрушения твердых тел стали господствующими в теории почвообработки, хотя до сих пор нет ясности, какая схема реально описывает процесс разрушения почвы. Причиной тому являются недостатки, присущие механике разрушения тел. Во-первых, механические схемы разрушения, а также многочисленные родственные им модели, слабо учитывают конкретный физический механизм разрушения и его стадийность. Во-вторых, все применяемые критерии разрушения не имеют серьезного физического обоснования. Одной из первых продуктивных физических теорий разрушения была теория Гриффитса [175,199,200,202,258]. Он исходил из предположения о существовании в теле исходных трещин конечного размера. Гипотеза состояла в том, что для трещины, движущейся в материале (стекле) заданным образом при внешних воздействиях, удельная работа разрушения Wp равна постоянной 2ср, т.е. Wp = 2сгр =const, где ар - величина, которую следует интерпретировать как энергию, необходимую для образования новых поверхностей тела. Ясно, что данное условие применимо для описания процесса передачи энергии, когда трещина движется. Однако теория Гриффитса не учитывает тот факт, что впереди фронта распространяющейся трещины возникают напряжения, способные вызвать микродеформации [71,171]. Это обстоятельство приводит к тому, что физический смысл параметра разрушения ср оказывается расплывчатым по сравнению с тем, что понимал Гриффите, который связывал его с разделением тела на части. В реальных процессах разрушения величина тр должна включать в себя энергию диссипации, обусловленную неоднородным строением тел. Подобные идеи привели к созданию линейной (нелинейной) механики разрушения (ЛМР), основанной на энергетическом методе оценки процесса разрушения [26,200,201,202,225]. Одним из недостатков ЛМР является отсутствие надежного критерия разрушения. Причиной тому служит то, что она не учитывает способы зарождения и развития микротрещин. ЛМР . может достаточно верно описать напряжения и деформации в окрестности вершины трещины. Однако условия, при которых эти напряжения и деформации приведут к распространению трещины, полностью еще не выяснены. Предполагается, что распространение трещины имеет место, когда напряжение при вершине трещины превышает критическую величину.
В последние годы в качестве критерия разрушения материалов используются коэффициенты интенсивности напряжений и критерии критического раскрытия (ККР) трещин [26]. Однако применительно к почвенной среде они не изучены, хотя и весьма полезны во многих приложениях.
Более содержательной, по-видимому, могла оказаться концепция Н.Н. Давиденкова [64], который попытался объединить в единую схему микроскопические критерии зарождения трещин и макроскопические критерии их разрушения. Одна из них отражает факт зарождения микротрещин, а другая - разрушение тела на части. Из-за сложности описания этих процессов данная теория не получила пока развития.
Модель процесса взаимодействия клина с почвой
При взаимодействии клина с почвой энергия расходуется на деформирование отделяемого почвенного пласта и преодоление сил инерции отделившихся кусков и частиц. Эти два процесса протекают одновременно. Представим сопротивление клина как результирующую двух составляющих:
где RJ - сила, необходимая на деформацию почвенного пласта (сила резания); Rk - сила, необходимая на сообщение скорости отделяющимся частицам почвы.
Что касается второго члена - Rk, то исследователи, изучавшие влияние скорости на сопротивление клина, предполагают наличие дополнительных затрат на сообщение кинетической энергии отбрасываемым кускам почвы [20,22,39,51,63,77,177]. Вместе с тем многие исследования [36,51,77,113,159,173,191,243] показывают, что преодоление сил инерции и смещение пласта почвы клином не являются единственными проявлениями влияния скорости. В значительной мере сказывается влияние физических факторов, т.е. зависимость от скорости составляющей R1 . Сущность заключается в том, что при увеличении скорости деформирования повышается сопротивление почвы, характеризуемое, в первую очередь, ее свойствами. При этом скорость нагружения определяет характер разрушения. Действительно, в зависимости от скорости нагружения одни и те же тела разрушаются хрупко или деформируются пластично [36,77,123]. А.Н. Зеленин [77] показал, что при медленном сжатии куб влажной почвы деформируется пластично, не дробясь, а при быстром - разрушается хрупко, на куски. Нагружение вызывает пластическую деформацию когда, почва находится в вязком состоянии.
Впервые на зависимость сопротивления почвогрунтов от скорости резания обратил внимание В.П. Горячкин: зависимость удельного тягового сопротивления плугов к от скорости v равна: где к„- удельное тяговое сопротивление при малой скорости; є - постоянная.
Анализ проведенных исследований по этому вопросу [30,36,77,120,173,200,222,232,243,257,260,261] позволяет сделать вывод, что при малых величинах скорости (до 1,5 м/с) сопротивление клина от скорости движения изменяется незначительно (в пределах ошибки опыта). При скорости более 2 м/с ее влияние оказывается существенным. Причиной является расход энергии на сообщение движения отделяющимся кускам почвы. Причем разрушение представляет собой процесс не мгновенный, а требующий определенного времени.
Таким образом, можно предположить, что влияние скорости на сопротивление клина будет зависеть от некоторого коэффициента т,:
Основы разработки почвообрабатывающих машин для минимальной энергопочвосберегающей технологии
Сохранение и повышение плодородия почвы, снижение энергоемкости технологических процессов обработки почвы и практические рекомендации по их реализации - комплексная проблема. Их разработка должна базироваться на системном подходе к управлению энергетическими показателями работы почвообрабатывающих машин с учетом технологических и экологических требований.
Как установлено в первой главе, МТА (рис. 5.1) представляет собой сложную систему, состоящую из нескольких подсистем: трактора (Т), почвообрабатывающей машины (ПМ) и механико-технологической подсистемы изменения состояния почвенного пласта, объединенных выполнением комплекса задач. Отличительная особенность системы - детерминированность входящих в нее подсистем и стахостичность их связей как внутри системы, так и с внешней средой - почвой. Именно этот аспект является основой для решения поставленной задачи.
Рассмотрим систему во времени и пространстве. Для описания системы в пространстве необходимо знать границы существования исследуемого объекта. Последние определим, если разделим МТА на две подсистемы, одна из которых характеризует способ передачи энергии, другая полнение главной функции системы - проведение технологического процесса обработки почвы, эффективность которой определяется границами исследования механико-технологической подсистемы изменения состояния почвенного пласта.
Для описания системы во времени введем понятие, отражающее период ее существования. Принято использовать для этого понятие «жизненный цикл» [226]. Под последним для системы будем понимать период от начала работ по созданию аналога и технического задания на нее до полной деградации, которая завершается снятием с производства, а затем с эксплуатации. Разделим «жизненный цикл» на два периода: развитие и функционирование системы. Применительно к рассматриваемой системе период развития состоит из трех основных этапов: научно-исследовательских работ (НИР), опытно-конструкторских работ (ОКР) и серийного производства. Период целевого функционирования состоит из этапов использования по назначению, чередующегося с ним технического обслуживания и ремонта, хранения и модернизации. Обеспечение требуемых показателей работы системы начинается на этапе НИР и ОКР. Длительность и эффективность выполненных работ на этих этапах определяются, главным образом, уровнями использования научных достижений и проектно-конструкторских решений. В то же время недостаточная оптимальность конструктивного решения, вызванная принятыми допущениями на стадии разработки, может быть выявлена только в период функционирования или эксплуатации машины. В этой части жизненного цикла неопределенность информации о системе снимается в результате определения ее показателей работы.
Если сравнить все этапы жизненного цикла машины по затратам и результатам получаемого от нее эффекта, то придем к выводу об исключительном значении стадии использования по назначению. Именно на этой стадии наряду с затратами на агрегат происходит отдача вложенных средств. По этому критерию стадия использования является важной в «жизненном цикле».
Рассмотренные аспекты предопределяют постановку и главное направление решения многих вопросов, связанных с изысканием технологических приемов и разработкой почвоэнергосберегающих машин, которые базируются на следующих принципах:
- объектом изучения является МТА как система, состоящая из нескольких подсистем (рис. 5.16);
- задача системы - передача энергии (S) от двигателя трактора к рабочим органам машины через устройства передачи (УП);
- цель системы - выполнение технологического процесса.
Эффективность функционирования МТА будет определяться исходными данными, необходимыми для синтеза структуры МТА как системы. Если исходить из цели системы, то все факторы, влияющие на условия ее функционирования, оцениваются качеством выполнения технологического процесса, т.е. механико-технологической подсистемой. Факторы, влияющие на качество работы подсистемы, можно разделить на две группы: внутренние, относящиеся к системе (эксплуатационные показатели: энергетические, технологические, экономические и т.д.) и внешние, характеризующие внешнюю среду (условия эксплуатации: возмущающие воздействия, режимы работы, параметры установки и скорость движения рабочих органов машины и т.д.). При таком подходе внутренние факторы являются выходными параметрами системы, а внешние - входными.
