CC BY
45
ОБРАБОТКА ПОЧВЫ
УДК 631.4
О почве, как материале воздействия рабочих органов машин технологического комплекса
В.П. ДЬЯКОВ, кандидат технических наук
ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии
vnizem@kursknet.ru
В процессе обработки почвы в ней создаются два вида напряженного состояния: одноосное - ходовой системой энергетического средства и плоское - рабочими органами машин технологического комплекса. Тип поверхностей напряжений разрушения почвы сдвигом или отрывом зависит от типа структурных связей почвенных разностей, формирующихся при дегидратации почвы, скорости движения, угловых и линейных параметров рабочих органов. При рациональном сочетании этих факторов возможно управление процессом деформирования почвы.
Ключевые слова: почва, напряженное состояние, давление клина, почвенные разности, деформационные свойства, структкрные связи, возможность регулирования
Непременное требование при реализации адаптивно-ландшафтной системы земледелия - защита и сбережение почвы, что обусловливает смену антропоцентрического направления в деятельности земледельца на природоохранный принцип природопользования в целом, а также защиту почвы от деградации. Один из антропогенных факторов, усиливающих деградацию почвы,- механическая обработка, которая представляет собой весьма распространенный и во многом определяющий состояние верхнего плодородного слоя почвы вид человеческой деятельности. В этой связи важную роль в изменении ее физических свойств, создании оптимальной плотности и структуры, которые обеспечивают повышение потенциального плодородия, играют орудия и машины технологического комплекса.
Цель нашей работы - изучить физико-механические свойства почвы и их изменение под внешней нагрузкой. Подобные исследования необходимы как для создания новых машин, так и для совершенствования процессов обработки почвы.
В процессе механической обработки почва взаимодействует с ходовой системой (колесами или гусеницами) и непосредственно рабочими органами, разрушающими ее механическую структуру. Процесс воздействия на почву колеса или гусеницы аналогичен давлению на грунт забиваемой сваи или фундамента и выражается образованием в почве уплотненного ядра [1]. В этом случае порода испытывает одноосное напряженное состояние. Взаимодействие с почвой рабочих органов моделируется двухгранным (см. рисунок) или трехгранным клином [2], впереди которого также образуется уплотненный объем почвы, но в форме клина [3].
При взаимодействии с почвой клинообразных рабочих органов имеет место сложное (плоское) напряженное состояние, когда деформирующие напряжения действуют не в одной, а в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: горизонтальной и вертикальной (см. рисунок) соответственно: Ыг = ТБт2в и Ыв = ТБт р-^р, где Т - сила, движущая клин. Здесь следует отметить, что нормальное давление N рабочей грани клина на почву определяется из уравнения:
N = ГБтр, (а)
а не из выражения N = 7"^1пр, (б)
как принято считать в современной механике почв.
Несмотря на широкое распространение процесса обработки почвы, теоретические основы её до сих пор полностью не разработаны; угловые и линейные параметры (угол р, высота АВ рабочей грани ВД и ее длина) рабочих органов - эмпирический продукт, а не результат теоретических исследований. Одна из главных объективных причин такой ситуации заключается в том, что деформация и поведение под внешней нагрузкой почвы, как сложного природного образования, представляет собой, по заключению В.П.Горячкина, «камень
со о 2
№
00 2 1
4
Рисунок. Силы, действующие на почву со стороны клина
преткновения» для всякого рода теоретических исследований.
Действительно, в физико-механических свойствах почвы имеются особенности, а в процессе деформирования она проходит такие стадии, экспериментальные исследования которых весьма затруднены и поэтому в определенной степени «подвластны» только абстрагирующей деятельности человеческого мышления. В первую очередь следует отметить, что почва это очень сложная аморфная система. Как рыхлая горная порода, она не может быть полностью отнесена ни к одной категории тел, изучаемых в общей физике. Главная отличительная особенность почвы от массивных горных пород - раздробленность, то есть она принадлежит к телам, состоящим из отдельных твердых минеральных частиц. В отдельных случаях эти части не связаны между собой или прочность связей между ними во много раз меньше прочности материала, из которого они состоят. Раздробленность и дисперсность почвы повышает, часто в сотни и тысячи раз, удельную поверхность минеральной ее части, с увеличением которой возрастает поверхностная энергия, вызывая [4] ряд физических и физико-механических явлений, которые существенно сказываются на поведении почвы под внешней нагрузкой.
Раздробленность строения почвы создает ее пористость, изменяющуюся под влиянием внешних воздействий, что обусловливает свойство сжимаемости, то есть уплотнения (деформирования). При этом в почве возникают как упругие (обратимые) деформации, присущие всем сплошным телам, так и вязкопластические (остаточные), обусловленные взаимными перемещениями отдельных минеральных частиц и их агрегатов. Кроме того, своеобразное поведение почвы связано с такими ее свойствами, как релаксация упругих напряжений и упругое последействие деформации.
Закон релаксации упругих напряжений Максвелла имеет вид: * Я =г, (ехр) -Г/Тр,, (1) о где Я - начальное напряжение; Тр - время релаксации (Тр = ц/О, где П - коэффициент вязкости, О - модуль а, упругости); t- текущее время; г1 - на-| чальное напряжение. Под релаксант цией понимают процесс диссипации о (рассеяния) упругой энергии при пла-2 стических деформациях и при вязком 5 течении. В обоих случаях деформиро-
вания почвы деформирующая энергия расходуется на перемещения ее твердых минеральных частиц в трещины, пустоты, выемки внутри почвенного фрагмента и тому подобное.
Уравнение последействия упругих деформаций по Кельвину:
Е =г, [1 -(ехр) -Г/Тр]/О, (2)
где Е - конечное значение упругой деформации; О - модуль упругости почвы; г - рабочее напряжение; Тр -время последействия упругих напряжений, численно равное времени релаксации.
Под упругим последействием в процессе деформирования почвы следует понимать работу накопленной упругой потенциальной энергии, направленную на деформирование еще нетронутой почвы, после ее высвобождения.
С небольшим допущением почву, как минерально-дисперсную среду, по поведению под внешней нагрузкой правомочно соотнести с минеральными грунтами. Различие в изучении процесса деформирования почвы и грунтов заключается лишь в конечной цели исследований. Конечная цель механики грунтов - устойчивость грунтового основания под сооружением, то есть деформационные свойства, в механике почв - отделение части (пласта) почвы от почвенного массива и крошение его, то есть прочностные свойства. Следовательно, механика грунтов изучает только деформационные свойства, тогда как механика почв - деформационные и прочностные свойства. Поэтому получаемые в исследованиях по механике грунтов конечные экспериментальные данные «в чистом виде» не пригодны для толкования подобных результатов в механике почвы, поскольку они демонстрируют зависимость полученного результата от времени, а в механике почв требуются показатели, зависимые от величины или скорости деформирования. Кроме того, исследователей общей техники при деформировании материала интересует относительная деформация, механики грунтов - общая деформация (осадка грунта), механики почв - сопротивление развитию общей деформации и разрушению. Следовательно, конечные результаты исследований в механике грунтов, также как и в общей технике, можно считать промежуточными по отношению к процессу исследований в механике почв, но вполне пригодными к использованию в качестве наглядного пособия.
В механике грунтов и в общей технике [5] при определении деформационных показателей как для пластичных материалов (момент появления остаточных деформаций), так и для хрупких материалов (момент появлений трещин) используется теория наибольших нормальных напряжений; для определения прочностных показателей - теория наибольших касательных напряжений.
Первую теорию прочности аппроксимируют законом Гука:
Я = О Е , (3)
где Я - нормальные напряжения в почве; О - модуль упругости почвы; Е - величина деформации.
Вторую - законом Мора-Кулона: т = С + Га, (4)
где т - касательные напряжения; Г - коэффициент внутреннего трения; а - нормальные (сжимаемые) напряжения от веса поднимаемого пласта почвы; С - сцепление минеральных твердых частиц между собой и с дисперсной средой.
Однако испытания, проведенные в ВИСХОМ [6], показали, что при воздействии двугранного клина с малым углом резания (10о) на влажный песок, для которого типичным видом деформации в естественном состоянии при угле резания р равном 20.. .60° служит сдвиг, происходило образование пласта, имеющего вид сплошной ленты. Это наглядно демонстрирует влияние на процесс деформирования материала не только его физического состояния, но и условий приложения нагрузки, связанных с конструктивными параметрами клина. Следовательно, подходить к использованию законов (3) и (4) относительно песчаной почвы однозначно нельзя. При этом если у песчаных почв можно выделить два физических состояния в зависимости от увлажнения, то, согласно наблюдениям [6] и [2], у почв на глинистой основетаковых четыре: пластическое, твердое вязкое, твердое хрупкое и сухое твердое.
Почвы в пластическом состоянии характеризуются водно-коллоидными структурными связями. Силы взаимодействия между твердыми частицами и частицами и дисперсной средой обусловливаются в этих почвах не только молекулярными силами взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса), но и пленками коллоидного раствора, охватывающими твердые частицы. Величина таких связей зависит от толщины пленок, которая с потерей почвой
влаги может меняться от нескольких сотен до десятка молекул воды. С уменьшением толщины водных пленок сопротивление структурных связей увеличивается. Установлено, что почва в пластическом состоянии разрушается с наименьшими затратами энергии от предельных удлинений (деформаций) в виде пластического отрыва и достаточно легко выносит сильные, но короткие удары, от которых не успевают образоваться предельные удлинения. Такое ее поведение под внешней нагрузкой в пластическом состоянии объясняется тем, что водно-коллоидные пленки лучше сопротивляются нормальным напряжениям а, чем касательным напряжениям т.
Разрушение почвы в пластическом состоянии происходит в виде отрыва сплошной ленты с образованием в ней трещин и разрывов при некотором выдавливании воды, что вызывает размазывание почвы. Обрабатывать такие почвы следует на малых скоростях с увеличенной шириной захвата рабочих органов.
Почвы, находящиеся в твердом вязком и твердом хрупком состоянии, занимают по шкале влажности место от нижнего предела пластичности до предела усадки.
При потере почвой влаги толщина водно-коллоидных пленок уменьшается, частицы почвы сближаются. Одновременно происходит выпадение из порового раствора в осадок в виде тончайших пленок химических веществ, обладающих в той или иной степени свойствами цемента [7]. Вследствие сближения частиц и осаждения коллоидов происходит их агрегирование с возможными сухими контактами и цементацией. Такие связи получили название конденсационных структурных связей. С химической точки зрения, в зависимости от характера цементирующих веществ, они могут разрушаться двояко. Например, если эти связи обусловлены цементацией веществ (наподобие геля кремнекис-лоты), деформирующихся хрупко, то разрушение связей и почвы в целом следует ожидать хрупким. Однако если связи обусловлены влиянием алюмо-геля и ему подобных, то разрушение почвы будет вязким, то есть сдвигом.
Второй фактор, влияющий на поведение почвы с конденсационными структурными связями под внешней нагрузкой, - степень ее влажности. В интервале влажности от нижнего предела пластичности до уровня,
когда куски твердой почвы, еще сокращаясь в объеме, перестают приставать один к другому при слабом давлении (примерно 40% относительной влажности), разрушение почвы происходит сдвигом. Причина: конденсационные структурные связи разбавлены водно-коллоидными связями. В интервале влажности почвы от нижнего предела влажности твердой мягкой почвы (40%) до предела усадки ее, когда конденсационные структурные связи превалируют над жесткими цементационными связями, почва под внешним давлении разрушается хрупко, то есть отрывом.
Оба охарактеризованных фактора обусловлены свойствами почвы и поэтому не управляемы. Назовем их по отношению к процессу деформирования почвы внутренними. Третий фактор, оказывающий влияние на характер поведения почвы при деформировании, управляем, поэтому логично назвать его внешним. Он включает скорость деформирования и значения угловых и линейных параметров клинообразных рабочих органов. В свою очередь, управляемый фактор можно разделить на мягкий и жесткий режим работы. Мягкий режим работы отличается низкой скоростью движения, малыми значениями угла р (см. рисунок) и высоты АВ подъема рабочей грани ВД клина. Для жесткого режима работы свойственны более высокие величины перечисленных конструктивных элементов рабочего органа. Мягкий режим работы способствует образованию в почве поверхностей напряжений разрушения сдвигом, жесткий - образованию поверхностей напряжений разрушения отрывом.
Почва, находящаяся в твердом сухом состоянии, характеризуется кристаллизационными структурными связями, под которыми подразумевают чисто химические связи, возникающие в результате цементации. Они могут быть нарушены в результате приложения достаточно большого напряжения и придают глинистым почвам свойства твердых тел. Поэтому разрушать такие почвы рекомендуется с использованием ударных способов приложения деформирующего усилия. В этом случае разрушение почвы происходит без значительной деформации и даже при слабых, но резких ударах. Обработку таких почв следует проводить на высоких скоростях узкозахватными рабочими органами.
Суммируя изложенное, необходимо отметить, что поведение почвы под внешней нагрузкой, оказываемой машинами технологического комплекса, обусловлено как внутренними, так и внешними факторами. К первым (неуправляемые) относятся химические, деформационные и прочностные свойства почвы; ко вторым (управляемые) - скорость обработки, угловые и линейные параметры клинообразных рабочих органов. Следовательно, если соотнести скорость движения и геометрические параметры почвообрабатывающего рабочего органа с особенностями поведения почвы в данном физическом состоянии (тип, влажность, плотность) под нагрузкой, то появляется возможность активного вмешательства в процесс деформирования почвы с целью его управления.
Литература.
1. Цитович Н.А. Механика грунтов. М.: Стройиздат, 1963. 636 с.
2. Горячкин В.П. Собрание сочинений. М.: Колос, 1965. 455 с.
3. Koolen A.J. A method for soil compatibility determination // J Agric Eng Res 19. 1974.: 271-278
4. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. М.: Стройиздат. 1971. 367 с.
5. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Физ. мат. издательство, 1962. 856 с.
6. Синеоков г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. М.: Машиностроение, 1977. 328 с.
7. Денисов Н.Я. Природа прочности и деформаций грунтов. Избранные труды. М.: Стройиздат, 1972. 279 с.
On the soil, as the material impact of technological machines working bodies
V.P. D'yakov
During the processing of the soil in it are two kinds of stress states: uniaxial - way power system facilities and flat - working bodies of the technological complex machines. Type of stress fracture surfaces of soil or margin shift depends on the type of structural relations of
(D
soil differences, formed by dehydration of the g soil, speed and angular and linear parameters s of working bodies. For a rational combination g of these factors can be controlled process of § deformation of the soil. s
Keywords: soil, stresstate, the pressure z of a wedge, soil difference, deformation 8 properties, struktural bonds, the possibility M of regulation. О
