авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПУТЁМ УМЕНЬШЕНИЯ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВ ХОДОВЫМИ СИСТЕМАМИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ

-- [ Страница 2 ] --

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.

 Зависимость осадки штампа от-7

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) Зависимость глубины колеи от-17. (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.

В четвертой главе «Исследование изменения физических свойств почв при взаимодействии с гусеничными движителями сельскохозяйственных тракторов» 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;

  1. выбирать экологичную технологию работы машин;
  2. 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 1,6105 Н/м2. При задней навеске величина напря­жения в грунте снижается до 1,2105 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 1,1105 Н/м2. По отношению к исходной плотности 1,35103 кг/м3 (почва тяжелого механического состава при влажности Wвл=26%) прирост плотности почвы в слое 0-0,20 м составил 0,35103 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.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.