Повышение эффективности технологических процессов путем уменьшения уплотнения почв ходовыми системами сельскохозяйственных тракторов (11.10.2010)

Автор: Карапетян Мартик Аршалуйсович

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

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

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

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

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

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

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6-ми глав, заключения, списка литературы, содержащего 240 наименований. Основное содержание диссертационной работы изложено на 290 страницах, включая 65 рисунка, 28 таблиц и приложения.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы снижения уплотнения почвы движителями тракторов и сельскохозяйственных машин, указано на необходимость комплексного решения проблемы уменьшения уплотняющего воздействия техники на почву с учетом экологической совместимости объектов системы «трактор-технология-почва» подчеркнуто, что развитие теории деформации почвы при уплотнении и моделировании колееобразования позволяет ускорить решение этой важной проблемы.

В первой главе «Состояние проблемы уплотнения почвы движителями сельскохозяйственных тракторов и машин и задачи исследований» проведен анализ работ, посвященных проблеме уплотнения почвы движителями сельскохозяйственных тракторов и мобильных машин. Исследованию проблемы уплотнения почвы посвящены работы Я.С. Агейкина, В.В. Гуськова, С.С. Корчунова, В.В. Кацыгина, А.М. Кононова, И.И. Водяника, В.И. Кнороза, М.Г. Беккера и многих других.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

7. Разработать программу и алгоритм расчетов степени уплотнения почв;

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

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

10. Провести расчет экономической эффективности результатов исследований.

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

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

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

В третьей главе «Теоретические основы и моделирование колееобразования движителями тракторов и машин» дано обоснование концепций экологической совместимости системы «трактор-машина-технология-почва».

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

Рис. 1. Структурная схема взаимодействия объектов системы

“трактор-машина-технология-почва”

), Р – плотность грунта колеи в результате воздействия машины, Рэ - экологическое изменение плотности, Рпор- пороговое значение плотности для произрастания.

). Кроме указанных критериями экологической оценки уплотнения почвы ходовыми системами могут быть использованы:

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

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

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

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

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

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

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


загрузка...