Modeling the process of strain and motion of the soil in a subsoiler operation area.pdf Практика обработки сельскохозяйственных угодий показывает, что более 50 % подпахотного горизонта подвергается дополнительному уплотнению непосредственно рабочими органами почвообрабатывающих орудий, т.е. образуется «плужная подошва». В связи с этим корни растений не могут пробить уплотнённый слой почвы (плужную подошву) и проникнуть в нижние, более влажные слои. Предотвращение уплотнения подпахотного горизонта имеет важное значение для обеспечения качественного функционирования почвы и его экологического состояния, поскольку уплотнение подпахотного горизонта является практически постоянным явлением, что снижает урожайность, а также увеличивает вымывание питательных элементов из почвы [1]. Как известно, одним из эффективных приёмов разуплотнения почвы и разрушения «плужной подошвы» является механическое рыхление на глубину до 50 см с помощью глубокорыхлителей, или чизельных плугов, которые широко применяются и в зарубежных странах, таких, как США, Германия, Канада, Румыния и Венгрия. Эти страны занимают одно из передовых мест в области создания и выпуска специальных орудий для глубокого рыхления почвы (собсойлеры, киллиферы и др.). Согласно исследованиям зарубежных ученых, установлено, что длительная ротационная обработка почвы оказывает негативное влияние на поверхностный слой почвы, причем из-за глобального изменения климата потребление воды в сельском хозяйстве становится все более проблематичным. При рыхлении плотного подпахотного слоя почвы на глубину до 60 см за счет потребления воды водопроницаемость и влагоемкость почвы значительно увеличиваются, благодаря чему боковые корни растений развиваются лучше и урожай получается более полноценным [2]. В Средней Азии в различных почвенно-климатических зонах хлопкосеяния эффективность рыхления подпахотного горизонта изучали М.В. Мухамеджанов Т.Р. Рашидов, Н.Б. Джураева, А.П. Уринов 82 [3, 4], Л.П. Белякова [5], В.А. Сергиенко [6] и др. Физико-механическим и технологическим свойствам почвы, которые необходимо учитывать при создании новых и совершенствовании существующих почвообрабатывающих машин, посвящены работы В.Н. Кузнецовой [7], Г.М. Рудакова [8], А.К. Кашкарова [9], Ф.И. Решетникова [10] и др. В результате проведенных исследований было обнаружено, что глубокое рыхление почвы: • создает условия для «всасывания», накопления значительных запасов находящейся в почве и воздухе влаги, а также ее перераспределения; • улучшает микроклимат в почве; • обеспечивает эффективный влаговоздушный обмен во взрыхленном слое; • в зоне рыхления увеличивается количество активных корней; • способствует предотвращению эрозионных процессов; • за счет разуплотнения почвы в дальнейшем снижается сопротивление при проходе тракторов и других орудий, что ведет к экономии горюче-смазочных материалов, снижаются нагрузки на орудия; • показывает высокую эффективность борьбы с сорняками. В результате проникновения в грунтовую среду рабочего органа глубокорыхлителя возникает сила сопротивления почвы, величина которой зависит от физико-механических свойств почвы и конструктивных особенностей рабочего органа глубокорыхлителя. Результаты опытных данных указывают на необходимость учета типа грунта и его свойств при создании новых и совершенствовании существующих почвообрабатывающих машин. Следует отметить, что ранее разработанные технологические схемы обработки почвы и соответствующие конструкции рабочих органов глубокорыхлителя, работающего в условиях деблокированного резания почвы [11], экспериментальные методы изучения поведения грунтов при статических и динамических воздействиях [12, 13], а также предложенные модели грунтов с использованием метода дискретных элементов [12], позволили достичь определенных успехов в решении задач динамики тел, движущихся в грунтовой среде. Однако недостаточно изучены вопросы моделирования почвенной среды в процессе взаимодействия ее с рабочими органами глубокорыхлителя, динамические явления в почвенной среде и деталях рыхлителя в процессе нагружения их переменной силой тяги, а также отсутствует научно-обоснованная методика для оценки напряженного состояния деформируемых узлов деталей глубокорыхлителя при взаимодействии с почвенной средой. Перечисленные выше проблемы являются важными, и актуальной задачей является разработка аналитикочисленного метода исследования динамики рабочего органа глубокорыхлителя при движении его в почве, моделируемой упругой и сжимаемой пластической средой, и оценки его нагруженности, необходимой для поиска дальнейшего снижения энергоемкости и повышения качественных показателей работы почвообрабатывающей машины. Таким образом, цель статьи заключается в выборе модели почвенной среды и описании движения рабочего органа глубокорыхлителя (лапы), представленного в виде тонкого кругового конуса, в данной среде. В представленной работе на базе ранее проведенных исследований выявлены основные факторы, влияющие на напряженно-деформированное состояние почвенной среды, по выбранной модели грунта, определены силы сопротивления почвы и установлен закон движения рабочего органа глубокорыхлителя в грунтовой среде. Моделирование процесса деформирования и движения почвы 83 1. Описание конструкции и технологического процесса работы основных параметров рабочего органа глубокорыхлителя В связи с тем, что рыхление подпахотного горизонта представляет собой энергоемкий технологический процесс, для его выполнения используются специальные глубокорыхлители. На рис. 1 и 2 представлены боковой рабочий орган и схема экспериментального глубокорыхлителя [12]. Рис. 1. Боковой рабочий орган глубокорыхлителя Fig. 1. Side operating element of a subsoiler Рис. 2. Схема экспериментального глубокорыхлителя Fig. 2. Scheme of an experimental subsoiler Глубокорыхлитель состоит из рамы 7 (рис. 2) и закрепленных на ней последовательно и уступом центрального 3 и боковых 1 рабочих органов, а также опорных колес 6. Центральный рабочий орган орудия выполнен в виде стойки с рых- Т.Р. Рашидов, Н.Б. Джураева, А.П. Уринов 84 лительным элементом (долотом), выполненным в виде горизонтального двухгранного клина с горизонтально-поперечной режущей кромкой, а боковые рабочие органы - в виде односторонних левого и правого рыхлительных клиньев, установленных под углом р к направлению движения (рис. 1). В данной работе для описания движения рабочего органа глубокорыхлителя (лапы) в грунте принимаем простейшую модель рыхлительной лапы в виде тонкого кругового конуса. В результате движения тела (рыхлительной лапы) в почвенной среде грунт деформируется и на контактной поверхности обрабатываемых элементов и движущейся части окружающей среды возникает переменная по времени сила взаимодействия (сопротивления), величина которой в первую очередь зависит от динамической структуры почвы, которая подвергается постоянным изменениям из-за широкого спектра биотических и абиотических факторов, таких, как биодеградация [14] и механическое нарушение почвы, рассмотренные в работе [15], и конструктивных особенностей обрабатывающей машины [16]. При этом параметры силовой возможности машин, в конечном счете, определяются характером взаимодействия рабочих органов машин с обрабатываемой грунтовой средой. Поэтому в теоретическом плане особое значение приобретает выбор модели процесса взаимодействия почвенной среды с рабочими органами почвообрабатывающей машины. 3. Модели процесса взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих машин с грунтовой средой Авторами [17] получено точное решение для одномерной задачи Римана, которое используется для проверки достоверности результатов модифицированного метода моделирования сжимаемой среды при взаимодействии с твердым телом. Как известно, при решении прикладных задач взаимодействия твердых тел с грунтовой средой, грунт моделируется как упругая или упругопластическая (несжимаемая) среда. Такая модель может быть использована для описания движения водонасыщенных грунтов [18, 19]. Для грунтов малой или средней влажности, то есть состоящих из твердых частиц и воздушных включений, наличие больших объемных необратимых деформаций и наличие сдвиговых деформаций существенны. Такие грунты обычно рассматриваются как пластическая сжимаемая среда. В данной статье используется модель «пластического газа» академика Х.А. Рахматулина [20]. Согласно этой модели, грунт при нагружении изменяет свою плотность по определенному закону, при разгрузке он сохраняет плотность, полученную при нагружении. В данной работе грунт моделируется как пластическая сжимаемая среда. Итак, перейдем к составлению уравнения движения грунта, используя «гипотезу плоских сечений», предложенную Х.А. Рахматулиным и А.А. Ильюшиным [21] для решения ряда задач аэродинамики. Согласно этой гипотезе, частицы грунта совершают радиальные движения в плоскости, перпендикулярной оси симметрии твердого тела (конуса). В этом случае задача о движении тела сводится к исследованию движения сжимаемой пластической (сыпучей) среды с цилиндрической симметрией [20]. Принимаем рабочий орган машины приведенным круговым конусом. Пусть конус с профилем L(t), симметричным относительно оси Ox, движется с постоянной скоростью V0 в направлении, противоположном Моделирование процесса деформирования и движения почвы 85 этой оси. Рассмотрим произвольное сечение конуса в момент времени tx, при котором L = L(t1) (рис. 3). Рис. 3. Схематическое представление движения лапки глубокорыхлителя в почве Fig. 3. Schematic representation of the subsoiler foot movement in soil Примем, что в точке касания вершины конуса рассматриваемого сечения в момент времени t = tx в грунте возникает цилиндрическая волна сжатия [21] и в момент времени t > t1 граница области возмущенного движения грунта будет ограничена радиусами цилиндрической волны r = r*(t) и радиусом r = L(t)• tgр (р - угол при вершине кругового конуса), являющимся линией пересечения поверхности конуса с рассматриваемой плоскостью. Допустим, что плотность грунта меняется только на фронте цилиндрической волны и определяется интенсивностью этой волны. Поэтому плотность грунта в области возмущения является только функцией координаты r и не зависит от времени t. Пусть r - переменная координата Лагранжа. Тогда уравнение движения и неразрывности в цилиндрических координатах в произвольном сечении L = L имеет вид d2u dor д P0r г = (r + U) r- + (CTr-Стѳ) (r + u); (1) dt dr dr (2) 1 d . ,2 p0 (r + u)2 = 0r . 2 dr p где r - начальное расстояние частиц от оси конуса; u = u(r,t) - смещение частицы грунта на этом расстоянии; t - время; р0 и p - начальная и текущая плотность грунта в возмущенной области L < r < r*(t); стг и стѳ - радиальные и тангенциальные напряжения. Поскольку грунт моделируется пластической (необратимой) средой [22], то напряжения удовлетворяют условию пластичности Кулона - Мора [23]: CTr-Стѳ = То +ц(СТг +СТѳ ), (3) где т0 = 2k • cosѳ и р.= sinѳ ; к - сцепление; ѳ - угол внутреннего трения. Т.Р. Рашидов, Н.Б. Джураева, А.П. Уринов 86 Исключив из уравнения (1) стѳ , приведем его к виду d (r + u) „ d t0 сила сопротивления постоянна и равна F = F0 =п(1 + M0 ctgР) (A + 0.5Bp0V02)hK2OH tg2 Р. (18) На рис. 4 и 5 (для кривых № 1, 2, 3, 4, 5 при значениях b1 = 0,2, bx = 0,4 b1 = 0, 6 b1 = 0, 8 соответственно) представлены графики зависимости силы сопротивления от времени при различных значениях отношения b1 =р0 / р1. В расчетах принято: Xлап = 10° , Рлап = 10°, к = 50000 Н/м2, Ѳ = 30°, p0 = 2000 кг/м3, V0 = 2.777 м/c (10 км/ч), ^ = 0.2 , ^ап = = 0.2 м . Как видно из графиков, пока площадь контакта конуса с грунтом переменная, сила сопротивления зависит от времени по параболическому закону, и далее она остается постоянной. Рост отношения b1 =p0 / p1, что соответствует более уплотненному состоянию грунта за фронтом цилиндрической волны, приводит к значи- Моделирование процесса деформирования и движения почвы 89 тельному увеличению значения силы сопротивления. На рис. 5 показаны аналогичные зависимости в случае моделирования грунта при отсутствии внутреннего трения (Ѳ = 0). Видно, что увеличение угла внутреннего трения Ѳ приводит к некоторому снижению силы сопротивления. Рис. 4. График зависимости силы сопротивления грунта F от времени t при различных значениях отношения b1 =р0 / pj (Ѳ = 0 ) Fig. 4. Dependence of the soil resistance force F on time t for different values of the ratio 4 Рис. 5. График зависимости силы сопротивления грунта F от времени t при различных значениях отношения b1 =р0 / р1 (Ѳ^ 0 ) Fig. 5. Dependence of the soil resistance force F on time t for different values of the ratio b1 =P0/P1 (Ѳ*0) b1 =P0/P1 (Ѳ = 0) Полная сила сопротивления, действующая на поверхность конуса, вычисляется с помощью интеграла (р0 - коэффициент трения между грунтом и поверхностью конуса): F = 2n(sin Р + р0 cos Р)I (p - pa)х tg pV 1 + tg2 p )dx . Подставим выражение давления из (j5) и произведем интегрирование, тогда, с учетом R = L tg p, получим (18) F = n(1 + p0 ctgP) (A + Bp0L2 +p0C • h • L)h2, где A = ntg2 p Pa + V(1 + p) J (aV/2 -1); b1(v- 2) L V B = (aV/2 -1) + b1(v - 2)aV/2 - (aV/2-1 -1) C = n tg4 P, 3b1V (aV/2 -1), a = 1/(1-b1) . В случае движения конуса с постоянной скоростью имеем L = v0t, L = ѵ0. L = 0 . Тогда формула (17) примет вид (19) F = (1 + h,ctgР) (A + B •Pav^h2 . Т.Р. Рашидов, Н.Б. Джураева, А.П. Уринов 90 На рис. 6 и 7 (для кривых 1, 2, 3, 4 при значениях ц = 0, ц = 0.5 , ц = 0.7 , ц = 0.9) представлены графики изменения силы сопротивления в зависимости от Ь1 (Ь1 =р0 / р1) для двух значений угла X и при различных значениях параметра грунта ц = sinѲ . В расчетах принято: Рлап = 20° , к = 50000 Н/м2, р0 = 2000 кг/м3, ѵ0 = 2.777 м/с (10 км/ч), ц0 = 0.2 , Алап = ккон = 0.2 м . отношения Ь1 =р0/ р1 при Х = 10° и для различных значений параметра ц = sin Ѳ Fig. 6. Dependence of the soil resistance force F on the ratio Ь1 =р0 / р1 at X = 10° and different values of the parameter ц = sin Ѳ отношения Ь1 =р0 / р1 при X = 20° и для различных значений параметра ц = sin Ѳ Fig. 7. Dependence of the soil resistance force F on the ratio Ь1 =р0 / р1 at X = 20° and different values of the parameter ц = sin Ѳ Моделирование процесса деформирования и движения почвы 91 Как видно из графиков, с ростом отношения b = р0 / pt, который соответствует более уплотненному состоянию грунта за фронтом цилиндрической волны, значительно увеличивается сила сопротивления F. С другой стороны, увеличение угла внутреннего трения Ѳ приводит к некоторому снижению силы сопротивления. 4. Выводы Для описания динамики обрабатываемой почвы выбрана модель сжимаемой пластической среды с условием Кулона - Мора. При использовании данной модели определена сила сопротивления почвенной среды при движении в ней лапы глубокорыхлителя, представленной в виде тонкого кругового конуса. Установлено, что величина этой силы существенно зависит от свойства грунта, вида контактных условий между телом и грунтом, причем с ростом коэффициента внутреннего трения р сила сопротивления грунта F увеличивается. Получена зависимость силы сопротивления от времени. По результатам графоаналитических исследований видно, что пока площадь контакта кругового конуса с грунтом переменная, сила сопротивления в зависимости от времени меняется по параболическому закону, и далее она остается постоянной. В случае движения тела с постоянной скоростью установлено, что в зависимости от коэффициента внутреннего трения и сцепления грунта вблизи рабочего органа рыхлителя может образовываться зона повышенной плотности почвы, где наблюдается значительный рост силы сопротивления. При увеличении угла внутреннего трения наблюдается некоторое снижение значения силы сопротивления.

Скачать электронную версию публикации