CC BY
26
Изыскание и обоснование способов и технических средств для повышения эффективности оценки механического воздействия почвообрабатывающих машин и их рабочих органов на почву на основе измерения ее гидрофизических характеристик является весьма актуальной задачей как для выбора агрегатов из имеющихся в наличии, так и для апробации экспериментальных.
Материал и методика исследований. Для оценки механического воздействия на почву нами предлагается использовать объективный энергетический метод, основанный на законах термодинамики, отражающих энергетическое состояние почвенной влаги [4].
Основной характеристикой энергетического состояния почвенной влаги является термодинамический потенциал [5], который определяется как работа, необходимая для удаления из почвы единицы массы воды.
Зависимость потенциала почвенной влаги ^ от влажности почвы w называют основной гидрофизической характеристикой (ОГХ) почвы. Эта зависимость может эффективно использоваться для многих целей: регистрации и контроля изменения физических и гидрофизических свойств почвы под влиянием естественных и антропогенных (техногенных) факторов; расчета коэффициентов влагопроводности, скорости инфильтрации и других гидрофизических параметров, зависимостей между ними.
Для построения ОГХ нами применяется идеализированная динамическая модель почвы [4], на основе которой, исходя из законов классической термодинамики, найдены аналитические выражения для ОГХ. Модель делает практическое использование ОГХ удобным и свободным от большой длительности эксперимента, кроме того, снижаются требования к профессионализму проводящего измерения оператора.
Одной из прикладных задач, которую позволяет решать разработанная модель, является оценка воздействия на почву обрабатывающих орудий.
Каждая конкретная почва отличается индивидуальной ОГХ. Аналитическая зависимость имеет вид
^ = у + у" = • О^, П 0), (1)
pw р
где ^ - полный потенциал; - потенциал, обусловленный взаимодействием влаги с твердой фазой почвы; - потенциал, обусловленный взаимодействием влаги с почвенным воздухом; р - плотность воды, кг/м3; О - объемная удельная поверхность твердой фазы почвы, м2/м3; w - объемная влажность, м3/м3; П - пористость сухого образца, в долях; с - коэффициент поверхностного натяжения воды, Н/м; А - постоянная Б. В. Дерягина, Дж; О^, П0) - функция пористости и объемной влажности, вид которой определяется упрощениями, сделанными при моделировании.
Если проинтегрировать (1) по объемной влажности, то величина интеграла по своей физической сущности показывает удельную объемную энергию Гиббса, находящуюся в почве влаги. Величина интеграла может быть использована для оценки как разрыхляющего, так и уплотняющего воздействия сельскохозяйственных орудий на почву [2]. Оценить качество обработки почвы сельскохозяйственными орудиями можно судя по тому, насколько изменилась эта величина.
Почва представляет собой дисперсную систему с сильно развитой поверхностью, в которой подвижные отдельности почвы удерживаются между собой благодаря почвенной влаге. Поэтому физико-механические свойства почвы, такие как твердость, пластичность и т. д., зависят для каждой конкретной почвы от количества содержащейся в ней влаги.
Естественные и технические науки
При разрыхлении или уплотнении почвы мы, с точки зрения термодинамики, совершаем над ней работу, «полезная» часть которой идет на изменение удельной поверхности почвенной влаги, т. е. энергии связей между подвижными почвенными отдельностями.
Если до прохождения орудия по участку поля величина интеграла составляла Е0, а после его прохождения - Е, то разность АЕ =Е - Е0 покажет нам, на какую величину изменилась удельная энергия почвенной влаги, т. е. значение «полезной» работы, совершенной над системой. Эта работа характеризует почвообрабатывающее орудие при энергетическом рассмотрении [1], [3].
Таким образом, мы имеем возможность количественно оценить механическое воздействие почвообрабатывающих орудий путем измерения основных гидрофизических показателей.
Результаты исследований и их обсуждение. Оценка воздействия на почву фрез ФБН-1,5 со стандартными и модифицированными рабочими органами (рис. 1 и 2) проводилась на двух типах почв.
Рис. 1. Фреза ФБН-1,5 с модифицированными рабочими органами
Рис. 2. Почва до и после обработки
После измерения гидрофизических параметров на поле производится обработка данных в лаборатории, а затем результаты вводятся в компьютер (табл. 1). На весь процесс обработки данных: от взятия образца до построения ОГХ и расчета интеграла - требуется около двух часов.
Таблица 1
Результаты полевых испытаний агрегата МТЗ-82 + ФБН-1,5 (средние по 100 измерениям)
Рабочие органы Стандартные Модифицированные
Почва Светло-серая лесная (104,2^ 106 м2/м3)
Пористость до после до после
0,464+0,024 0,584+0,033 0,464+0,024 0,613+0,034
Изменение удельной энергии АЕ, кДж/м3 195,3+18,6 214,7+12,2
Почва Серая лесная (126,5-106 м2/м3)
Пористость до после до после
0,416+0,030 0,586+0,045 0,416+0,030 0,594+0,042
Изменение удельной энергии АЕ, кДж/м3 247,1+23,6 254,2+20,9
По изменению удельной энергии можно сделать аргументированные заключения о том, на каких типах почв какой агрегат наиболее эффективен, существенно ли преимущество одного агрегата над другим, какова экономическая разница в использовании различных агрегатов и оправдана ли она. Кроме того, поскольку агрегат рассматривается без описания каких-либо его технических характеристик (как «черный ящик»), предлагаемая нами энергетическая оценка механического воздействия на почву подходит для оценки различных экспериментальных почвообрабатывающих орудий и агрегатов.
Резюме. Использование энергетического метода, основанного на законах термодинамики, отражающих энергетическое состояние почвенной влаги, позволяет не только сэкономить средства при обработке почвы, но и снизить (при сокращении количества проходов техники) техногенное воздействие, а также износ самой техники, что в сложившейся экологической и экономической обстановке является весьма актуальным.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеев, В. В. Безразмерные величины, характеризующие состояние почвы и степень механического воздействия почвообрабатывающих машин и орудий / В. В. Алексеев, В. М. Сироткин, И. И. Максимов, П. Н. Пакулин // Экологические аспекты механизации сельскохозяйственных растений : мат. X Международного симпозиума. - Варшава, 2003. - С. 141-146.
2. Алексеев, В. В. Энергетическая оценка механического воздействия на почву почвообрабатывающих машин и орудий / В. В. Алексеев, И. И. Максимов, В. И. Максимов, И. В. Сякаев // Аграрная наука ЕвроСеверо-Востока. - 2012. - № 3 (28). - С. 70-72.
3. Максимов, В. И. Энергетический подход к оценке почвообрабатывающих машин и орудий / В. И. Максимов, И. И. Максимов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2008. - № 5. - С. 25-28.
4. Сироткин, В. В. Прикладная гидрофизика почв / В. В. Сироткин, В. М. Сироткин. - Чебоксары : Изд-во Чуваш. ун-та, 2001. - 252 с.
5. Теории и методы физики почв / под ред. Е. В. Шеина и Л. О. Карпачевского. - М. : Гриф и К°, 2007. - 616 с.
