CC BY
11
xxxxxx технологии и средства механизации сельского хозяйства жжжжжж
Научная статья УДК 502/504:631.5
Б01: 10.24412/2227-9407-2022-5 -23-34
Моделирование процессов восстановления структуры переуплотненных почв глубокорыхлителем
Валерий Павлович Максимов1, Александр Евгеньевич Ушаков223
12Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова -филиал Донского государственного аграрного университета, г. Новочеркасск, Российская Федерация 1 v_maximov@mail.ru, https:orcid.org/0000-0002-8483-0030 2sashka-ushakov@mail.ruв,, htts:orcid.о^/0000-0002-3649-9945
Аннотация
Введение. Переуплотненные почвы снижают урожайность сельскохозяйственных культур. Для восстановления структуры таких почв используют глубокорыхлители без оборота пласта. Однако существующие орудия не в полной мере отвечают агротехническим требованиям по степени разрыхления, что является следствием принятых моделей взаимодействия, которые не учитывают особенности сложного многоэтапного процесса разрыхления.
Материалы и методы. Моделирование процессов разрушения переуплотненных почв основывается на критическом анализе известных моделей и схем её разрушения рабочими органами почвообрабатывающих агрегатов. Построена комбинированная модель взаимодействия, в которой нагрузки на рабочие органы глубоко-рыхлителя и соответствующие области напряженного состояния базируются на механике сплошной среды. Процесс образования почвенных монолитов строится на дискретных моделях, а процесс разрушения почвенных комков - на развитии энергетической гипотезы.
Результаты и их обсуждение. Наилучшие результаты по восстановлению структуры переуплотненных почв показала минимальная (minimal-till) обработка на глубину свыше 50 сантиметров глубоким рыхлением без оборота пласта. Однако параметры почвообрабатывающего агрегата, определенные по существующим методикам, не обеспечивают необходимое качество разуплотнения почв по степени крошения и конфигурации зоны разрыхления, поскольку не отражают ряд важных аспектов глубокого рыхления. Предложенные модели процессов восстановления структуры переуплотненных почв глубокорыхлителем позволили разработать метод по определению рациональных параметров рабочих органов глубокорыхлителя, обеспечивающих агротехнические требования. Особенностью метода является учет дополнительного разрушения почвенных монолитов, сходящих с рыхлящих элементов.
Заключение. Использование полученных результатов позволяет на стадии проектирования определить рациональные параметры рабочих органов глубокорыхлителя (форму, геометрию, углы и место их установки на стойке), обеспечивающих требуемое качество и зону разуплотнения, а также энергоемкость процесса восстановления структуры переуплотненной почвы.
Ключевые слова: глубокое рыхление, моделирование, разуплотнение почвы, степень разрыхления, чизель
Финансирование. Фонд содействия инноваций в рамках договора 15324ГУ/2020 от 17.06.2020 код 0059271, заявка У-60408 УМНИК-19 (г) Ростовская область - 2019. Так же работа получила поддержку по программе Старт-1 Договор 4290ГС1/70521от 15.11.2021 Вн. код 0070521 заявка (С1-106429).
П., Ушаков А. Е., 2022
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
© Максимов В.
XXXXXXXX technology and mechanization of agriculture XXXXXXXX
Для цитирования: Максимов В. П., Ушаков А. Е. Моделирование процессов восстановления структуры переуплотненных почв глубокорыхлителем // Вестник НГИЭИ. 2022. № 5 (132). С. 23-34. DOI: 10.24412/22279407-2022-5-23-34
Modeling the processes of structure restoration overconsolidated soils with a subsoiler
Valeriy P. Maksimov1, Alexandr E. Ushakov23
12 Novocherkassk engineering and reclamation Institute A. K. Kortunov -branch of the Don State Technical University, Novocherkassk, Russian Federation.
1 v_maximov@mail.ru https: orcid.org 0000-0002-8483-0030
2 Sashka-ushakov@mail.ru3, https: orcid.org/0000-0002-3649-9945
Abstract
Introduction. Overconsolidated soils reduce crop yields. To restore the structure of such soils, subsoilers are used without turning the layer. However, the existing tools do not fully meet the agrotechnical requirements for the degree of loosening, which is a consequence of the adopted interaction models that do not take into account the peculiarities of the complex multistage process of loosening.
Materials and methods. Modeling the processes of destruction of overconsolidated soils is based on a critical analysis of the known models and schemes of its destruction by the working bodies of tillage aggregates. A combined interaction model has been built, in which the loads on the working bodies of the subsoiler and the corresponding areas of the stress state are based on the mechanics of a continuous medium. The process of formation of soil monoliths is based on discrete models, and the process of destruction of soil lumps is based on the development of the Kirpichev-Kik energy hypothesis.
Results and their discussion. The best results in restoring the structure of over-compacted soils are shown by minimal (minimal-till) treatment to a depth of more than 50 centimeters by deep loosening without turning the formation. However, the parameters of the tillage unit, determined according to existing methods, do not provide the necessary quality of soil decompression according to the degree of crumbling and the configuration of the loosening zone, since they do not reflect a number of important aspects of deep loosening. The proposed models of the processes of restoring the structure of over-compacted soils with a deep-miner allowed us to develop a method for determining the rational parameters of the working bodies of a deep-miner that meet agrotechnical requirements. The peculiarity of the method is to take into account the additional destruction of soil monoliths descending from loosening elements. Conclusion. The use of the results obtained allows at the design stage to determine the rational parameters of the working bodies of the subsoiler (shape, geometry, angles and the place of their installation on the rack), which provide the required quality and the decompaction zone, as well as the energy consumption of the process of restoring the structure of the overcompacted soil.
Key words: modeling, soil loosening, deep loosening, chisel, degree of loosening
Financing: Fund for the Promotion of Innovations under the agreement 15324GU/2020 dated 17.06.2020 code 0059271, application U-60408 UMNIK-19 (g) Rostov region - 2019. The work also received support under the program Start-1 Contract 4290GS1/70521ot 15.11.2021 Vin. code 0070521 application (From 1-106429)
For citation: Maksimov V. P., Ushakov A. E. Modeling the processes of structure restoration overconsolidated soils with a subsoiler // Bulletin NGIEI. 2022. № 5 (132). P. 23-34. (In Russ.). DOI: 10.24412/2227-9407-2022-5-23-34
Введение
К одному из ключевых факторов, которые снижают урожайность сельскохозяйственных культур, следует отнести переуплотнение почвы из-за многократно повторяющихся воздействий ходовых частей мощных технологических агрегатов [1; 2; 3;
4; 5; 6]. В этой связи проблема восстановления структуры переуплотненной почвы посредством разуплотнения является актуальной. Оптимальные результаты с точки зрения качества, энергоемкости и природоохранной сохранности приносит использование минимальных технологий (minimal-till), ко-
XXXXXX технологии и средства механизации сельского хозяйства XXXXXX
торые чаще всего реализуются с помощью чизель-ных почвообрабатывающих орудий.
Машинное улучшение структуры почвы глу-бокорыхлителями ориентировано на получение наилучших условий для дальнейшей высадки растений, накопления внутрипочвенной воды и защиту от ветровой и водной эрозии. Это предполагает обусловленные значения не только уровня крошения продуктивного горизонта почвы, но и плотности его сложения [4, 7; 8; 9]. Отметим, что имеющий место конфликт между теорией и практикой не позволяет спроектировать глубокорыхлитель, отвечающий всем агротехническим требованиям. Поэтому, невзирая на многочисленные исследования, практически не решена основная проблема по достижению согласия между расчетными параметрами рабочих органов, заданными физико-механическими характеристиками почвы и достаточным качеством разрыхления зоны рациональной конфигурации.
В работе определены и решены вопросы, способствующие достижению решения ключевой проблемы. При этом учтена специфика работы глубо-корыхлителя на глубинах свыше 50 сантиметров, приведено корректное использование законов механики почв и твердых тел, формализован процесс разрушения почвенных монолитов при сходе с де-
форматора и дальнейшего падения на дно борозды, уточнена энергоемкость процесса восстановления структуры переуплотненной почвы.
Материалы и методы Известно, что в Российской Федерации достаточно большая часть продуктивных земель подвержена серьезным отрицательным изменениям, суммарная площадь которых превышает 40 % [10]. Чаще всего это ветровая, водная эрозия и переувлажнение. Эти факторы деградации появляются благодаря нерациональному природопользованию обрабатываемых территорий, многократно повторяющихся воздействий ходовых частей мощных технологических агрегатов на почву и применению не соответствующих конкретным условиям технологий обработки. В сумме такое положение приводит к достаточно солидному переуплотнению почвы [3; 4; 11; 12], а также к формированию так называемой «плужной подошвы», обладающей увеличенными твердостью и плотностью [1; 3; 4; 7]. Образование переуплотненной почвы прямо сказывается на её физико-механических свойствах. Это подтверждается опытами по определению твердости в различных почвенных горизонтах, выполненных посредством пенетрометра TYD-1 [3]. Усредненные показатели твердости почвы приведены в таблице 1.
Таблица 1. Твердость почвы Table 1. Soil hardness
Слой почвы, см/ Soil layer, cm 0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70
Твердость, кгс/м2 / Hardness, kgf/m2 8,4 31,6 74,6 96,1 129,5 167 207,3
Источник: составлено авторами на базе проведенных испытаний
Отметим, что тенденция повышения твердости почвы носит четко выраженный характер с глубины, примерно, 30 см и достигает на горизонтах ниже 50 см значений, при которых формирование устойчивой корневой системы растений затруднительно. Это доказывает тезис о необходимости проведения работ по восстановлению структуры переуплотненных почв глубоким рыхлением.
Моделирование процессов разрушения переуплотненных почв основывалось на критическом анализе различных моделей почвы и схем ее разрушения рабочими органами почвообрабатывающих агрегатов. Построена комбинированная модель взаимодействия, в которой нагрузки на рабочие органы глубокорыхлителя и соответствующие области напряженного состояния базируются на механике сплошной среды [13; 14]. Процесс образования почвенных монолитов строится на дискретных моделях
[2; 9; 15], а процесс разрушения почвенных комков - на развитии энергетических гипотез [16; 17; 18].
Цель работы. Моделирование процессов восстановления структуры переуплотненных почв для обоснования рациональных параметров глубоко-рыхлителя путем разработки научно аргументированного способа нахождения параметров рыхлящих элементов глубокорыхлителя, рассматривающего координацию между геометрическими и кинематическими параметрами, свойствами разрабатываемого пласта почвы и кусковатостью зоны разрушения.
Для достижения определенной цели ставились и решались следующие задачи:
- осуществить анализ процессов взаимодействия элементов глубокорыхлителя с почвой и определить факторы, влияющие на степень разуплотнения и энергоемкость процесса;
XXXXXXXX technology and mechanization of agriculture XXXXXXXX
- построить модель разрушения сходящих с рыхлящих элементов почвенных монолитов на почвенные комки с определенной степенью дробления;
- создать метод нахождения рациональных параметров глубокорыхлителя, основанного на синтезе уточненных известных и вновь созданных моделей разрушения почвы.
Результаты
Восстановление структуры и, как следствие, продуктивности почв, переуплотненных из-за многократно повторяющихся воздействий ходовых частей мощных технологических агрегатов [1; 2; 3; 4; 5; 6], целесообразно выполнять наименее энергоемким способом обработки по типу технологий (тттаЬйП) посредством чизельного глубокого рыхления на глубину свыше 60 см. Такая обработка полностью соответствует выводу В. П. Горячкина о том, что главной целью механической обработки является придание почвенной структуре мелкоком-коватости [7]. В связи с этим оценка качества восстановления структуры почвы должна базироваться на соответствии агротехническим требованиям следующих параметров: глубина рыхления; конфигурация и площадь разрыхленной зоны; степень кус-коватости; энергоемкость процесса. Очевидно, что достоверность способов нахождения этих параметров обусловливается в первую очередь подбором подходящих расчетных схем и последующим способом их математического описания.
Известно [3; 4; 5; 9], что при работе вертикального клина зоны поперечной деформации в почве отчетливо наблюдаются лишь до некоторой глубины, обозначаемой как критическая ниже которой они не прослеживаются. Опытно установлено, что для почв южных районов России величина располагается в диапазоне 30-40 сантиметров [3; 12]. Бесспорно, что схемы взаимодействия в зонах до критической глубины и ниже ее обязаны отличаться. Однако эта особенность часто не учитывается. Рассмотрим специфику работы элементов глубокорыхлителя в зоне, находящейся ниже критической глубины h > Чаще всего внизу стойки глубокорыхлителя устанавливается наральник (долото), который воспринимает наибольшие нагрузки и определяет конфигурацию нижней части зоны разрыхления. В случае работы в зоне ниже где максимальная твердость и плотность, расширение зоны разрыхления вбок не происходит, так как блокируется переуплотненной почвой. Эти особенности взаимодействия определили новую форму наральни-ка с заострнной носовой частью и граненой поверхностью атаки [19]. Очевидно, что увеличение зоны разрыхления ниже критической глубины hкр возможно за счет установки за наральником дополнительных деформаторов. Тогда конфигурация нижней зоны разрыхления будет в виде относительного прямоугольника с шириной у основания, равной ширине добавочных деформаторов (рисунок 1).
2
3
)дв
Рис. 1. Схема образования зоны разрыхления глубокорыхлителем: 1 - стойка; 2 - наральник; 3 - деформатор нижний; 4 - деформатор верхний; h - глубина рыхления; hKp - критическая глубина; а - глубина установки; Ьдн - ширина деформаторов нижних; Ъдв - ширина деформаторов верхних
Fig. 1. Diagram of the formation of a zone of loosening by a subsoiler: 1 - stand; 2 - chisel; 3 - lower deformer; 4 - upper deformer; h - loosening depth; hKp - critical depth; а - installation depth; Ъдн - width of the lower deformers; Ъдв - width of the upper deformers
Источник: разработано авторами
Вестник НГИЭИ. 2022. № 5 (132). C. 23-34. ISSN2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2022. № 5 (132). P. 23-34. ISSN2227-9407 (Print)
_технологии и средства механизации сельского хозяйства
Последующий анализ процесса разрушения почвы деформаторами с образованием почвенных комков, установленных габаритов, касается массива, находящегося выше критической глубины, то есть при a < Икр.
Процесс разрушения почвенного монолита условно разделяем на четыре этапа:
- перемещение пласта по деформатору с образованием почвенных монолитов;
- разрушение монолитов при сходе с дефор-матора на почвенные комки;
- движение почвенного комка после схода с деформатора;
- конечное разрушение почвенного пласта.
Несомненно, что описание процессов каждого
этапа требует применения подобающей модели. Рассмотрим каждый из этих четырех этапов.
1. Перемещение пласта по деформатору
с образованием почвенных монолитов
Данный процесс довольно основательно освещен в литературе, например [4; 9]. На наш взгляд, наиболее достоверно процесс описан Л. В. Гячевым. Воспользуемся ключевыми положениями Л. В. Гячева, которые рассмотрены в работе [2], с отдельными дополнениями, уточнениями и комментариями (рисунок 2).
Примем следующие допущения:
- процесс разрушения непрерывный установившейся;
- деформатор представлен в виде плоского клина;
- почвенный монолит, вступающий на дефор-матор, рассматривается как твердое деформируемое тело, способное сопротивляться деформациям (по типу консольной балки).
Рис. 2. Схема образования почвенных монолитов верхним деформатором: в - угол наклона деформатора; в - угол сдвига монолита; f - угол трения; х - приведенный угол трения; ve - скорость переносная; vr - скорость относительная; ё - перемещение абсолютное; q - полное давление; qn - нормальное давление; qt - сила трения; Q - полное усилие; Qn - нормальное усилие; Qt - сила трения; Tt 1 - дополнительная сжимающая сила; R1 - сила давления клина на монолит Fig. 2. Scheme of formation of soil monoliths by the upper deformer: в - angle of inclination of the deformer; в - angle of shear of the monolith; f - angle of friction; X - reduced friction angle; ve - portable speed; vr - relative speed; ё - displacement absolute; q - full pressure; qn - normal pressure; qt - friction force; Q - total force; Qn - normal force; Qt - friction force; T - additional compressive force; R1 - wedge pressure force on the monolith Источник: разработано авторами согласно Гячева Л. В.
При движении деформатора со скоростью уе (переносной, м/с) за время I, (с) (на расстояние ВА = х (м) частица почвы пройдет путь в относительном движении, равный АС = 5", а в абсолютном движении переместится на величину ВС = 3.
Скорость частицы почвы при движении по деформатору (относительная) определяется выражением:
К.
• (cosß- f sin ß),
technology and mechanization of agriculture
где Vг - относительная скорость, м/с; ve - переносная скорость, м/с; в - угол наклона деформатора, град; f - коэффициент трения почвы о деформатор.
Тогда абсолютная скорость частицы равна
У = Уе ■ >/1 + У2 - 008 Д или
V = v,
■ sin pjüf,
м/с.
Определим величину
8 = V •1 = Ve"J 1 + щ2 - cos /3 •
•t-
= ,Jfl + ^z - • cos/• х , м, (1)
где S - абсолютное перемещение частицы, м; у -коэффициент сжатия, равный \y=vr lv =
= cos/-f sin3 .
Обозначим перемещение АС = S.
Тогда
S = v • t = WVe • t = ¥• х, м, (2)
где х - расстояние, пройденное деформатором, м; t -время, с.
На почвенный монолит действуют погонные нагрузки qn и qt (Н/м) и сжимающая сила Tt (Н), возникающая вследствие действия сил трения. Используя третью теорию прочности материалов, можно определить условия, при котором напряжения в опасном сечении (тождественном плоскости, проходящей через точку А) превысят прочность пласта и приведут к образованию трещины, что позволит определить длину образовавшегося почвенного монолита L, м (при известной высоте a и ширине b).
Пусть нагрузка qn пропорциональна деформации Е, т. е. qn = E • S, а усилия qt и Tt не оказы-
вают существенного влияния на результат. Тогда изгибающий момент Ми будет равен Ми = Е^/3, Нм (Е - модуль упругости, Па).
Одновременно изгибающий момент, выраженный через напряжения о (Па), и момент сопротивления изгибу Ж (м3) определяется как Ми = оЖ. Приравняв два последних выражения изгибающего момента, можно определить длину монолита Ь (м), отколовшегося от пласта.
Ь = 8 = /Е , м,
где Ь - длина монолита, м; о - напряжения, Па; Ж — момент сопротивления изгибу, м3.
Такой величине Ь соответствуют максимальные величины деформации ¿тах и перемещения деформатора хтах. Используя выражения (1) и (2), находим:
1 I-5--1
^шах =- V1 + ¥ — 2¥'008Р-Ь; ^тах = -•Ь, ¥ ¥
где дтах - максимальная деформация монолита, м; хтах - максимальное перемещение деформатора, м.
Разрушение монолитов при сходе с деформатора на почвенные комки
Процесс разрушения образовавшихся на де-форматоре (клине) почвенных монолитов в момент их схода с деформатора фактически не рассматривался. Исследуем данный процесс на основе гипотезы, что фаза схода с деформатора почвенных монолитов сопровождается их дополнительным разрушением на комки. Определим условия вероятного отрыва от монолита комка почвы по границе задней кромки деформатора. На рисунке 3 представлена расчетная схема для определения условий отрыва (дополнительного крошения) почвенного комка.
Рис. 3. Условия отрыва комка почвы: a, b - высота и ширина комка; M- изгибающий момент; Som - длина комка; G - вес комка; yc - координата нейтральной оси Fig. 3. The conditions for the separation of the clod of soil: a, b - height and width of the lump; M- bending moment; Som - length of the lump; G - weight of the clod; yc - coordinate of the neutral axis
Источник: разработано авторами
_технологии и средства механизации сельского хозяйства
Отрыв почвенного комка от движущейся по поверхности деформатора почвенного монолита происходит по плоскости n-n, проходящей по задней кромке деформатора. В этом случае при воздействии на комок поперечной силы F, численно равной весу комка G (Н), и изгибающего момента M (Н м), нормальные z (Па) и касательные п (Па) напряжения определяются по известным формулам:
M■ux- Т=F■sx/Jx ■ b, (3)
где z - нормальные напряжения, Па; п - касательные напряжения, Па; M - изгибающий момент, Нм; yc - координата нейтральной оси, м; Jx - момент
4 о
инерции сечения, м ; Sx - статический момент инерции сечения относительно нейтральной оси, м3. Изгибающий момент равен: M = G■ S /2; G = a ■ b ■ S -у,
от 7 от / '
где a - высота комка, м; b - ширина комка, м; G -вес комка, Н; Som - длина комка в момент отрыва, м; у - удельный вес почвы, Н/м3.
Длина почвенного комка Som является функцией скорости ve и времени t, то есть Som = ve • t,
следовательно, и все относящиеся к длине Som(t) величины тоже зависят от времени t: вес комка, поперечная сила F(t), изгибающий момент M(t), напряжения o(t) и n(t).
Тогда условие отрыва по третьей теории прочности будет иметь вид:
ait) = л!а2 + 4г2 > R, (4)
где R - расчетное сопротивление почвы разрушению, Па.
В соответствии с законом Кулона-Мора при условии < < <J2 сопротивление R равно
R = 2c ■ tan(45 -р/2), (5)
где с — сцепление, Па; р — угол внутреннего трения, град.
Применяя выражения (3), (4) и (5) и известные формулы J = ba3 /12 и Sx = a ■ b ■ yc, можно определить размер Som и вес G оторвавшегося комка почвы, траекторию его падения, полную энергию при ударе о почву и степень окончательного дробления.
2. Движение почвенного комка после схода с деформатора
При анализе возможной траектории падения оторвавшегося от деформатора почвенного комка условно считаем движение его свободным, без наложения дополнительных связей с почвенным массивом (рисунок 4).
Рис. 4. Движение комка почвы после схода с деформатора: в - угол наклона деформатора; h - высота подъема комка; hKO - высота отрыва комка; hmax - максимальная высота подъема над точкой схода; voy - скорость отрыва вертикальная; vox - скорость отрыва горизонтальная; vo- скорость отрыва абсолютная; vx - скорость падения горизонтальная ; vy - скорость падения вертикальная; vnad - скорость падения абсолютная; Lnad - расстояние до точки падения Fig. 4. The movement of a clod of soil after the descent from the deformer: в - angle of inclination deformator; h - height of the rise of the lump; hKO - height of the separation of the lump; hmax - maximum height of the rise above the vanishing point; voy - vertical separation speed; vox - horizontal separation speed; vo - absolute separation speed; vx - rate of fall is horizontal; vy - rate of fall is vertical; vnad - rate of fall is absolute; Lnad- distance to the point of fall
Источник: разработано авторами 29
technology and mechanization of agriculture
Применив известные формулы теоретической механики при движении тела, брошенного к горизонту, найдем главные характеристики этапа падения комка. При этом начальная скорость отрыва vo = ve, а угол наклона к горизонту равен ß.
Максимальная высота подъема над точкой
схода
hmax =V02-Sin2 ß / g , M,
где hmax - максимальная высота подъема, м; vo -начальная скорость отрыва, м/с; ß - угол наклона деформатора, град; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Скорость комка в момент удара о почву Упад = у + УУ ; V = Vo-cosß;
Vy = Уo - sin ß , м/с.
Время падения tnad = 2vo - sinß/ g, с.
Расстояние до точки падения
Lnad =V0 "Sin2ß / g , м.
3. Конечное разрушение почвенного пласта
Механика разуплотнения почвенного пласта состоит в разрушении связей между частицами переуплотненной почвы и образовании почвенных комков. Естественно, что осуществление данного процесса потребует определенных энергетических затрат. Установление баланса между энергией, достаточной на образование почвенных комков, и методом доставки внешней энергии в почву представляется основной проблемой разуплотнения почв. Первая часть которой обусловливается исходными физико-механическими характеристиками почвы, а вторая - конструктивными особенностями и энергетическими параметрами пассивных или активных рабочих органов. Следовательно, все ключевые теории разрушения твердых тел базируются на энергетическом подходе [2; 4; 5; 7; 17; 18; 19].
Определение степени конечного разрушения почвенного пласта глубокорыхлителем строится на развитии базовых положений работы Л. В. Гячева [2], критическим анализом трудов иных авторов, собственными дополнениями, уточнениями и комментариями.
Работа на разрушение почвенного пласта по Л. В. Гячеву определяется выражением:
w = a + к + wh + wp , (6)
где W - полная энергия разрушения, Дж; A1 - работа разрушения монолита деформатором, Дж; Wv - кинетическая энергия пласта, сходящего с отвала, Дж;
Wh - потенциальная энергия подъема, Дж; Wp - потенциальная энергия сжатого почвенного воздуха, Дж.
После соответствующего определения составляющих (6) имеем
w = A + V-у-vi/2g + V-у-hK0 + e-p -V -pm -lgrç, где V - объем пласта, м3; vo - скорость пласта в момент схода с деформатора, м/с2; hKO - высота до центра тяжести сечения в момент схода с деформатора, м; s - коэффициент утечки воздуха; p1 - первоначальное давление воздуха, Па; ynn - относительный объем почвенных пустот; п - степень сжатия почвенного воздуха.
Отметим, что, вопреки замечаниям академика В. А. Желиговского, часть которых рассмотрена в работе [8], о важности учета энергии сжатого почвенного воздуха, данный показатель практически не учитывается, в первую очередь по причине трудности нахождения и противоречивости, воздействующих на процесс параметров.
Однако, как надлежит из вышеприведенного анализа, движение почвенного монолита (п.п. 3 и 4), процесс его разрушения протекает и в момент схода с деформатора после перехода через верхнюю кромку, и в результате последующего падения, и удара о дно борозды. Полная энергия, сообщенная почве деформаторами глубокорыхлителя, определяется следующим выражением:
W = A + V - у- vi /2 g + V - у- h + e- p-V -pnn -lnrç +
+ VK - Y - Упад/2g + VK -Y(hKO + hmaxX (7)
где VK - объем комка почвы, м3; vnad - скорость падения комка почвы, м/с; hmax - дополнительная высота подъема комка почвы, м.
Ориентируясь на положения закона Риттенге-ра по определению работы, расходуемой на образование новых поверхностей [1; 4; 18; 20], проведем оценку качества рыхления.
A = ж-а2-D3 - lgÀ/4E , (8)
где A - работа на образование новых поверхностей, Нм; z - напряжения в комке, Па; D - начальный размер комка почвы, м; X - степень дробления; E -модуль упругости почвы, Па.
Степень дробления X определяется соотношением диаметров исходного тела до дробления D к среднему диаметру d вновь образованных тел. В анализируемом случае при разрушении почвенного пласта плоским деформатором для оценки степени дробления X можно использовать не диаметры, а
XXXXXX технологии и средства механизации сельского хозяйства XXXXXX
поперечные размеры соответственно монолита до разрушения Ям и комков гк после разрушения.
Следовательно, Ям = БШ = Ям/гк, где Ям - поперечные размеры монолита до разрушения, м; гк -поперечные размеры комков после разрушения, м.
В результате можно записать условие разрушения почвенного пласта с заданной степенью крошения в виде:
Ж > А.
Подчеркнем, что используя выражения (7) и (8), можно решать и обратную задачу: при определенной полной энергии Ж определить соответствующую этой энергии степень дробления X. Оценка полученного результата позволит наметить пути достижения желаемого качества рыхления путем изменения (варьирования) влияющих на рабочий процесс конструктивных параметров глубокорых-лителя.
Заключение
Проанализирована проблема повышения качества обработки переуплотненной почвы как объ-
екта оптимизации структуры посредством глубокого рыхления. Учет специфики структуры почвы позволил определить, что для формирования оптимальной конфигурации поперечной зоны разрыхления устанавливать на стойке две пары деформато-ров - нижнюю в зоне наральника и верхнюю, на границе критической глубины. Впервые проанализирован механизм разрушения почвенных монолитов при переходе через верхнюю кромку деформа-тора, который характеризуется резким переходом с напряжений сжатия в монолите на напряжения растяжения, сопровождающийся разрывом монолита на почвенные комки и дальнейшего их падения на дно борозды с дополнительным крошением. Использование полученных результатов позволяет на стадии проектирования определить рациональные параметры рабочих органов глубокорыхлителя (форму, геометрию, углы и место их установки на стойке), обеспечивающих требуемое качество и зону разуплотнения, а также энергоемкость процесса восстановления структуры переуплотненной почвы.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Бартенев И. М. Выбор вида деформации и типа деформатора обработки сухих твердых почв // Лесотехнический журнал. 2018. № 3. С. 162-169.
2. Донцов И. Е., Лысыч М. Н. Определение силовых параметров возмущенного движения почвообрабатывающих орудий в полевых условиях // Вестник КрасГАУ. 2017. № 4 (127). С. 89-95.
3. Михайлин А. А., Максимов В. П., Клименко И. В. Влияние технических характеристик орудия на показатели качества глубокого разрыхления орошаемых земель // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2013. № 3 (11). С. 134-147.
4. Панов И. М., Ветохин В. И. Физические основы механики почв : монография. Киев : Феникс. 2008.
266 с.
5. Ветохин В. И. Анализ системы «свойств и состояний почвы» применительно к экологическому аспекту оценки почвообрабатывающих орудий и технологий // Экологическая безопасность в АПК. 2012. № 1. С.222.
6. Ovchinnikov A. S. Mezhevova A. S., Fomin S. D., Pleskachev Y. N., Borisenko I. B., Vorontsova E. S., Zvolin-sky V. P., Tyutyuma N. V., Novikov A. E. Energy and agrotechnical indicators in the testing of machine-tractor units with subsoiler ARPN // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2017. Т. 12. № 24. С. 7150-7160.
7. Панов И. М., Ветохин В. И. Современное состояние и перспективы развития земледельческой механики в свете трудов В. П. Горячкина // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина». 2008. № 2 (27). С. 9-14.
8. Курдюмов В. И., Аюгин П. Н., Аюгин Н. П. Анализ факторов, влияющих на энергоемкость резания // Нива Поволжья. 2008. № 3. С. 57-59.
9. Матяшин Ю. И., Матяшин Н. Ю., Матяшина А. Н. Силовой анализ работы ротационных почвообрабатывающих машин // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Го-рячкина». 2008. № 3. С. 46-51.
10. Доклад о состоянии и использовании земель сельскохозяйственного назначения Российской Федерации в 2019 году. М. : ФГБНУ «Росинформагротех». 2021. 404 с.
XXXXXXXX technology and mechanization of agriculture XXXXXXXX
11. Николаев В. А., Мазиров М. А., Зинченко С. И. Влияние разных способов обработки на агрофизические свойства и структурное состояние почвы // Земледелие. 2015. № 5. С. 18-20.
12. Терентъев В. В., Баусов А. М., Лаптев К. А. и др. Анализ существующих технологии повышения долговечности рабочих органов плугов // Аграрная наука в условиях модернизации и инновационного развития АПК России. Иваново, 30 ноября 2020 года. С. 159-163.
13. Дыба В. П., Орлова Ю. А. Новый метод расчета по первому предельному состоянию ограждения котлована из jet-массива // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. № 4 (196). 2017. С. 92-95.
14. Алексеев С. И. Механика грунтов, основания и фундаменты. Избранные главы. СПб., 2019. 170 с.
15. Novikov A., Borisenko I., Chamurliev O., Chamurliev G., Plyushchikov V. Wave destruction of closed soils // Journal of Physics: Conference Series. 2019. С. 012010.
16. Абдурахмонов У. Н., Абдуназаров М. М. Разрушение почвенных комков зубьями рыхлителя // Наука, техника и образование. 2019. № 1 (54). С. 44-46.
17. Матяшин Ю. И., Матяшин Н. Ю. Разработка и создание энерговлагосберегающего комплекса ротационных почвообрабатывающих машин // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина». 2009. № 2. С. 12-15.
18. Никитин А. Г., Епифанцев Ю. А., Медведева К. С., Герике П. Б. Влияние коэффициента трения между дробимым материалом и щекой в одновалковой дробилке на энегроемкость процесса дробления // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 10. С. 846-848. DOI 10.17073/0368-0797-201710-846-848.
19. Михайлин А. А. Глубокое рыхление мелиорируемых земель как способ повышения продуктивности сельскохозяйственных культур // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. № 4 (08). 2012. С.20-31
20. Табаков П. А., Федоров Д. И. Производственно-полевые испытания ротационного плуга с механическим приводом // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2018. № 2 (42). С. 32-38.
Дата поступления статьи в редакцию 22.02.2022, одобрена после рецензирования 21.03.2022;
принята к публикации 24.03.2022.
Информация об авторах В. П. Максимов - доктор технических наук, профессор, Spin-код: 4475-3145; А. Е. Ушаков - ассистент, Spin-код: 5274-3755.
Заявленный вклад авторов:
Максимов В. П. - научное руководство, формулирование основной концепции исследования, критический анализ и доработка текста.
Ушаков А. Е. - подготовка текста статьи, верстка и форматирование работы, сбор и обработка материалов, проведение полевых исследований.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Bartenev I. M. Vybor vida deformacii i tipa deformatora obrabotki suhih tverdyh pochv [Selection of the type of deformation and the type of deformator for processing dry solid soils], Lesotekhnicheskij zhurnal [Forestry journal], 2018, No. 3, pp. 162-169.
2. Doncov I. E., Lysych M. N. Opredelenie silovyh parametrov vozmushchennogo dvizheniya pochvoobrabatyvayushchih orudij v polevyh usloviyah [etermination of power parameters of disturbed movement of tillage implements in the field], VestnikKrasGAU [Bulletin of KrasGAU], 2017, No. 4 (127), pp. 89-95.
XXXXXX технологии и средства механизации сельского хозяйства XXXXXX
3. Mihajlin A. A., Maksimov V. P., Klimenko I. V. Vliyanie tekhnicheskih harakteristik orudiya na pokazateli kachestva glubokogo razryhleniya oroshaemyh zemel'[The influence of the technical characteristics of the tool on the quality indicators of deep loosening of irrigated lands], Nauchnyj zhurnal Rossijskogo NIIproblem melioracii [Scientific Journal of the Russian Research Institute of Land Reclamation Problems], 2013, No. 3 (11), pp. 134-147.
4. Panov I. M., Vetohin V. I. Fizicheskie osnovy mekhaniki pochv [Physical foundations of soil mechanics], monografiya, Kiev : Fenikpp, 2008, 266 p.
5. Vetohin V. I. Analiz sistemy «svojstv i sostoyanij pochvy» primenitel'no k ekologicheskomu aspektu ocenki pochvoobrabatyvayushchih orudij i tekhnologij [Analysis of the system of «soil properties and conditions» in relation to the ecological aspect of the assessment of tillage tools and technologies], Ekologicheskaya bezopasnost' v APK [Environmental safety in agriculture], 2012, No. 1, pp. 222.
6. Ovchinnikov A. S. Mezhevova A. S., Fomin S. D., Pleskachev Y. N., Borisenko I. B., Vorontsova E. S., Zvo-linsky V. P., Tyutyuma N. V., Novikov A. E. Energy and agrotechnical indicators in the testing of machine-tractor units with subsoiler, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 2017, Vol. 12, No. 24, pp. 7150-7160.
7. Panov I. M., Vetohin V. I. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya zemledel'cheskoj mekhaniki v svete trudov V. P. Goryachkina [The current state and prospects of agricultural mechanics development in the light of V. P. Goryachkin's works], Vestnik Federal'nogo gosudarstvennogo obrazovatel'nogo uchrezhdeniya vysshegoprofes-sional'nogo obrazovaniya «Moskovskij gosudarstvennyj agroinzhenernyj universitet imeni V. P. Goryachkina» [Bulletin of the Federal State Educational Institution of Higher Professional Education «Moscow State Agroengineering University named after V. P. Goryachkin»], 2008, No. 2 (27), pp. 9-14.
8. Kurdyumov V. I., Ayugin P. N., Ayugin N. P. Analiz faktorov, vliyayushchih na energoemkost' rezaniya [Analysis of factors affecting the energy intensity of cutting], Niva Povolzh'ya [Niva of the Volga region], No. 3, 2008, pp. 57-59.
9. Matyashin Yu. I., Matyashin N. Yu., Matyashina A. N. Silovoj analiz raboty rotacionnyh pochvoobrabatyvayushchih mashin [Power analysis of rotary tillage machines], Vestnik Federal'nogo gosudarstvennogo obrazovatel'nogo uchrezhdeniya vysshego professional'nogo obrazovaniya «Moskovskij gosudarstvennyj agroinzhenernyj universitet imeni V. P. Goryachkina» [Bulletin of the Federal State Educational Institution of Higher Professional Education «Moscow State Agroengineering University named after V. P. Goryachkin»], No. 3, 2008, pp. 46-51.
10. Doklad o sostoyanii i ispol'zovanii zemel' sel'skohozyajstvennogo naznacheniya Rossijskoj Federacii v 2019 godu [Report on the state and use of agricultural lands of the Russian Federation in 2019], Moscow: FGBNU «Rosin-formagrotekh», 2021, 404 p.
11. Nikolaev V. A., Mazirov M. A., Zinchenko S. I. Vliyanie raznyh sposobov obrabotki na agrofizicheskie svojstva i strukturnoe sostoyanie pochvy [The influence of different methods of processing on the agrophysical properties and structural state of the soil]. Zemledelie [Agriculture], No. 5, 2015, pp. 18-20.
12. Terent'ev V. V. Analiz sushchestvuyushchih tekhnologii povysheniya dolgovechnosti rabochih organov plugov [Analysis of existing technologies for increasing the durability of working bodies of plows], Agrarnaya nauka v usloviyah modernizacii i innovacionnogo razvitiya APK Rossii [Agrarian science in the conditions of modernization and innovative development of the agro-industrial complex of Russia], Ivanovo, 2020, pp. 159-163.
13. Dyba V. P., Orlova Yu. A. Novyj metod rascheta po pervomu predel'nomu sostoyaniyu ograzhdeniya kotlo-vana iz jet-massiva [New calculation method based on the first limit state of the pit enclosure from the jet array], Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Severo-Kavkazskij region. Tekhnicheskie nauki [News of higher educational institutions. The North Caucasus region. Technical Sciences], No. 4 (196), 2017, pp. 92-95.
14. Alekseev S. I. Mekhanika gruntov, osnovaniya i fundamenty [Soil mechanics, foundations and foundations]. Izbrannye glavy. SPb., 2019, 170 p.
15. Novikov A., Borisenko I., Chamurliev O., Chamurliev G., Plyushchikov V. Wave destruction of closed soils, Journal of Physics, Conference Series, 2019, pp. 012010.
16. Abdurahmonov U. N., Abdunazarov M. M. Razrushenie pochvennyh komkov zub'yami ryhlitelya [Destruction of soil lumps by ripper teth], Nauka, tekhnika i obrazovanie [Science, technology and education], 2019, No. 1 (54), pp. 44-46.
17. Matyashin Y. I., Matyashin N. Y. Razrabotka i sozdanie energovlagosberegayushchego kompleksa rotacionnyh pochvoobrabatyvayushchih mashin. [Development and creation of an energy-saving complex of rotary tillage machines], Vestnik Federal'nogo gosudarstvennogo obrazovatel'nogo uchrezhdeniya vysshego professional'nogo
XXXXXXXX technology and mechanization of agriculture XXXXXXXX
obrazovaniya «Moskovskij gosudarstvennyj agroinzhenernyj universitet imeni V. P. Goryachkina» [Bulletin of the Federal State Educational Institution of Higher Professional Education «Moscow State Agroengineering University named after V. P. Goryachkin»], No. 2, 2009, pp. 12-15.
18. Nikitin A. G. Epifancev Yu. A, Medvedeva K. S. Gerike P. B. Vliyanie koefficienta treniya mezhdu dro-bimym materialom i shchekoj v odnovalkovoj drobilke na enegroemkost' processa drobleniya [The effect of the coefficient of friction between the crushed material and the cheek in a single-roll crusher on the energy intensity of the crushing process]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Chernaya metallurgiya [News of higher educational institutions. Ferrous metallurgy], 2017, Vol. 60, No 10, pp. 846-848. DOI 10.17073/0368-0797-2017-10-846-848.
19. Mihajlin A. A. Glubokoe ryhlenie melioriruemyh zemel' kak sposob povysheniya produktivnosti sel'sko-hozyajstvennyh kul'tur [Deep loosening of reclaimed lands as a way to increase the productivity of agricultural crops]. Melioraciya i gidrotekhnika [Melioration and hydraulic engineering], No. 4 (08), 2012, pp. 20-31.
20. Tabakov P. A., Fedorov D. I. Proizvodstvenno-polevye ispytaniya rotacionnogo pluga s mekhani-cheskim privodom [Production and field tests of a rotary plow with a mechanical drive], Vestnik Ul'yanovskoj gosudarstvennoj sel'skohozyajstvennoj akademii [Bulletin of the Ulyanovsk State Agricultural Academy], 2018, No. 2 (42), pp. 32-38.
The article was submitted 22.02.2022; approved after reviewing 21.03.2022; accepted for publication 24.03.2022.
Information about the authors: V. P. Maksimov - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Spin-code: 4475-3145; A. E. Ushakov - assistant.
Contribution of the authors:
Maksimov V. P. - scientific guidance, formulation of the basic concept of research, critical analysis and revision of the text.
Ushakov A. E. - preparation of the text of the article, layout and formatting of the work, collection and processing of materials, conducting field research.
The authors declare no conflicts of interests.
