WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Карапетян Мартик Аршалуйсович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПУТЁМ УМЕНЬШЕНИЯ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВ ХОДОВЫМИ СИСТЕМАМИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТРАКТОРОВ

Специальность: 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского  хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном университете природообустройства на кафедре  тракторы и автомобили (ФГОУ ВПО МГУП)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шмонин Владимир Александрович

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный  агроинженерный университет (ФГОУ ВПО МГАУ)

                                      доктор технических наук, профессор

  Лобачевский Яков Петрович

Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук

  доктор технических наук, профессор

  Перов Виктор Александрович

Федеральное государственное образовательное учреждение  высшего профессионального образования Московской государственный университет природообустройства (ФГОУ ВПО МГУП)

Ведущая организация: Российский государственный аграрный  университет МСХА  имени К.А. Тимирязева

Защита диссертации состоится  «28» декабря 2010 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 при Федеральном государственном образовательном учреждении  высшего профессионального образования Московского государственного университета природообустрой-ства по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 19, зал заседаний Ученого Совета (1 учебный корпус, ауд. 201), тел/факс: 8 (495) 976-10-46.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Федеральном государственном образовательном учреждении  высшего профессионального образования Московского государственного университета природообустройства и на официальном сайте ФГОУ ВПО МГУП  www.msuee.ru.

Автореферат разослан «____» _______________ 2010 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Сурикова Т.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В сельскохозяйственном производстве все шире применяются интенсивные технологии, основанные на многократных проходах по полю все более мощных и тяжелых машинно-тракторных агрегатов (МТА), уборочных комбайнов, большегрузных технологических и транспортных машин. За последние 15-20 лет единичная мощность тракторов увеличилась в 1,5-3 раза, а их масса - в 2-3 раза, при увеличении  массы сельскохозяйственных машин в 1,5 раза, в частности большегрузных машин для внесения удобрений и химикатов. В результате многократных проходов тракторов и машин суммарная площадь их следов на поле превышает площадь самого обрабатываемого участка до 1,5-2 раз. Особенно резко возросли нагрузки с применением таких энергонасыщенных  тракторов как Т-150, Т-150К, К-700, К-701, Т-4, ДТ-175С, что привело к уплотнению пахотного и подпахотного горизонтов почвы на глубину  0,7-1,0 м.

Разрушение структуры верхних и уплотнение нижних слоев почвы отрицательно сказывается на плодородии почвы и урожайности сельскохозяйственных культур. Возникла реальная опасность нарушения природного экологического баланса не только пахотного горизонта почвы, но и всей окружающей среды из-за загрязнения водоемов смытой почвой  токсичными веществами,  остатками  минеральных удобрений и пестицидов, что потребовало разработки экологически чистых систем и новейшего автоматизированного оборудования. Поэтому поиски научно-обоснованных путей решения проблемы уплотнения почвы являются актуальными и имеют важное народно-хозяйственное значение.

Цель работы обоснование и разработка методов расчета уплотняющего воздействия ходовых систем тракторов параметров их движителей, а также построение иерархии математических моделей пневматических шин и грунтовых оснований при их контакте, обеспечивающих эффективное оценивание напряженно-деформируемое состояние (НДС)  шин и экологического эффекта движителя колесных машин.

Объект исследования – колесные и гусеничные движители сельскохозяйственных тракторов и машин и их взаимосвязи в системе «трактор-машина-технология-почва».

Предмет исследования - процессы образования колеи и уплотнения почвы движителями тракторов и машин, жескостные характеристики пневматических сельскохозяйственных шин на твердом и деформируемом основаниях, изменение физико-механических свойств и экологического состояния почвы под воздействием ходовых систем.

Методы исследования. Исследование эколого-технологических процессов взаимодействия движителей с почвой основывались на положениях механики почв и грунтов с использованием физического и математического моделирования. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с использованием  теории  вероятностей  и  математической статистики.

Научная новизна работы заключается в:

- разработке новой методологии анализа и управления эколого-технологическими процессами с обоснованием комплексной структурной схемы взаимосвязи объектов системы «трактор – технология – почва»;

- обосновании и обобщении основных физико-механических и экологических свойств почво-грунтов как опорных оснований движителей и  допустимых пределов уплотнения и минерализации почвы;

- разработке математической модели образования колеи, учитывающей линейные и нелинейные составляющие деформации уплотнения и сдвигов;

- разработке и реализации на ЭВМ математической модели грунтового основания, как стохастический неоднородного вязкоупругопластического пористого частично водонасыщенного тела;

- построении номенклатуры выходных механических характеристик шин в контакте с деформируемым основанием и создании методики их расчетного оценивания;

- разработке концепции взаимодействия движителей на почву, обеспечивая экологическую совместимость параметров трактора, машины, технологии и почвы;

Практическая ценность и научная значимость работы. Практическую ценность составляют алгоритм и программы расчета на ЭВМ экологических показателей взаимодействия ходовых систем сельскохозяйственных тракторов и машин с почво-грунтами;  методы экспериментальных исследований влияния гусеничных движителей тракторов на физико-механические свойства и экологическое состояние почвы, агробиологическая интерпретация степени уплотнения почвы и влияние её на рост сельскохозяйственных растений; уточненная номенклатура выходных характеристик сельскохозяйственных шин, методы их определения и инструментальное обеспечение этих методов.

Научную значимость имеют предложенные критерии оценки уплотняющего воздействия мобильной техники на почву: суммарная глубина колеи в результате многократных проходов техники, коэффициент накопления деформации, критерий интенсивности колееобразования,  степень минерализации нарушения почвенного покрова, пороговое значение плотности в колее, рекомендации по  изменению  конструктивных  и эксплуатационных параметров гусеничных движителей, и  методы определения жесткостных характеристик шин.

Разработанные методики и математические модели могут  использоваться как в система автоматизированного проектирования шин для оценки потребительских свойств последних, так и в системах автоматизированного проектирования колесных машин. Разработанные экспериментальные методики могут использоваться для доводки шин и колесных машин, а также для заводского контроля качества изготовления шин.

Достоверность основных положений и рекомендаций диссертации  подтверждается  сходимостью  расчетных и экспериментальных данных (расхождение не превышает 5%), результатами лабораторных, стендовых и полевых испытаний моделей и натурных образцов техники.

Реализация результатов исследований.  На основании проведенных экспериментально-теоретических исследований реализованы следующие рекомендации:

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”

На  схеме  указаны  основные  конструктивные  и эксплуатационные параметры МТА (GT, GM,  BM, L, Pкр, H, ВТ, tк, tзв, nк); параметры технологии (La, В,  F -площадь уплотненной почвы ходовой системой, число проходов n0, производительность - П), среднее и максимальное давление в колее - qcp, qmax, глубина колеи - h; параметры почвы (w, С, Е, , qs, ), Р – плотность грунта колеи в результате воздействия машины, Рэ - экологическое изменение плотности, Рпор- пороговое значение плотности для произрастания.

Схема показывает влияние ходовой системы МТА на экологическое состояние почвенного слоя. Математическое состояние прямых и обратных связей между объектами системы представляет математическую модель системы. В каждом конкретном случае при условии обеспечения расчетной производительности на систему накладываются ограничения по степени уплотнения (плотность в колее должна быть меньше пороговой плотности и меньше экологически допустимой (), суммарной глубине колеи, которая должна быть меньше допустимой , урожайность должна быть не менее, чем на контроле (без уплотнения (); давление ходовых систем должно быть в пределах несущей способности почвы (). 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.

Процесс взаимодействия движителей с грунтом можно представить в виде взаимодействия жесткой или эластичной площадки (штампа), нагруженной вертикальной и горизонтальной нагрузками с упруго пластичной средой.

Зависимость между давлением q и осадкой штампа h при смятии реальной почвы выражается графиком, показанным на рис.2.

На кривой h=f(q) можно выделить три участка, по-разному выражающих зависимость между давлением и величи­ной деформации. На участке I имеется линейная зависимость между напряжением и деформацией. На участке II деформа­ция имеет нелинейный характер (асимптотический характер), при этом кроме уплотнения в почве возникают деформации сдвига. На участке III уплот­нение почвы прекращается и начинается пластическое тече­ние: почва достигает предела прочности или предела несущей способности.

Рис.2.  Зависимость осадки штампа от давления

Для математического выражения зависимости h=f(q) в механике грунтов предлагались различные формулы, напри­мер, степенная зависимость Винклера- Герстнера - Бернштейна, М.Г.Беккера и др. Удовлетворительно отражает экспери­ментальные данные формула В.В. Кацыгина, по которой за­висимость между напряжением сжатия и деформацией под­чиняется закону гиперболического тангенса. Перечисление зависимости достаточно сложны и для их использования не­обходимо располагать целым рядом эмпирических коэффи­циентов. Нами выведены более простые зависимости, удоб­ные для прикладных расчетов.

Примем, что в начальной фазе сжатия (участок I на рис. 2) зависимость деформации пропорциональна давлению, т.е. интенсивность напряжения есть первая производная от де­формации и dq/dh=q/h=const. Нарушение линейного закона деформации происходит при увеличении давления, тогда dq/dh=q/h·F(q), где F(q) - некоторая функция. Для описания функции по ее производной представим ее в виде бесконечно­го ряда,

  dq/dh=q/h(a+вq+cq2+…),  (1)

где:  а, в, с – коэффициенты.

В первом приближении ограничимся двумя первыми членами разложения, решение которого имеет вид:

  , (2)

где: α - коэффициент линейной деформации почвы, числен­но равный тангенсу угла наклона касательной к кривой h=f(q) в начале координат (рис.1).

  После  определения постоянной  для в  деформаций уплотнения  и  сдвигов, а также линейной и нелинейной составляющих для обоих видов деформаций суммарная дефор­мация выражается уравнением

    . (3)

Для практических расчетов по уравнению (3) необходи­мо знать численное значение трех величин: коэффициента линейной деформации α;  предела  несущей  способности  почво-грунта  qs и максимальной деформации почвы hmax. В ме­ханике грунтов для определения, а имеются достаточно стро­гие теоретические решения (Н. А. Цытович), но их использова­ние в расчетах процесса колееобразования сопряжено с опре­деленными сложностями. Поэтому рассмотрим более простое решение.

Строгое решение задачи о распределении сжимающих напряжений в толще упругого полупространства в настоящее время получено только для прямоугольных, гибких площа­док нагружения со сторонами l и b. Функции, описывающие изменение сжимающих напряжений достаточно сложны и их интегрирование выполняется численными методами. Поэто­му для практического пользования в литературе по механике грунтов результаты решений приводятся в виде таблиц. При этом  основная  формула  для  расчета  деформации однородно­го грунта, описывается в виде:

  , (4)

где:  Е0 - общий модуль деформации почвы в фазе уплотнения, учитывающий как упругие, так и остаточные деформации; μ, - коэффициент поперечного расширения почвы; F - пло­щадь деформатора; ω - коэффициент формы деформатора, принимаемый на основании таблиц в зависимости от отно­шения длины к ширине деформатора х=l/b.

Мы обработали приведенные в таблицах данные и пришли к выводу, что при рас­хождении менее 5%, коэффициент формы деформатора мож­но вычислять по формуле:

,  (5)

а соответственно, деформацию определить по уравнению:

  .  (6)

Таким образом, коэффициент линейной деформации массива однородного грунта можно определить из выраже­ния:

.  (7)

  Сельскохозяйственные машины перемещаются по разнообраз­ным грунтам с широким диапазоном физико-механических свойств: от твердых минеральных до торфяно-болотных водонасыщенных. Значительное влияние на несущую способ­ность грунта оказывает влажность и задернелости. Так, по нашим данным для среднего суглинка при влажности 12-15%  qs=0,35-1,25 МПа, при влажности 25-30% qs=0,20-0,65 МПа. Дерновой слой увеличивает несущую способность в 1,5-2,0 раза. Базируясь на исследованиях В.М. Котикова и В.П. Кацыгина предельную деформацию грунта hmax опреде­ляем из следующих соотношений. При воздействии движите­лей на грунт в нем одновременно возникают сжимающие и сдвигающие напряжения. Полагаем, что уплотнение грунта происходит в условиях всестороннего сжатия. Если рассмот­реть столб грунта высотой Н и площадью F , зная начальную плотность почвы ρ0 начальную влажность W и плотность твердых частиц скелета  ρтв, то максимальная деформация уплотнения будет равна:

  .  (8)

  Плотность твердых частиц скелета в среднем равна 2,1-2,2 г/см3.        

Многократные проходы сельскохозяйственных машин приво­дят к увеличению глубины колеи и повышению плотности почвы из-за накопления деформаций.

Воспользовавшись рассмотренным выше дифференци­альным подходом к процессам уплотнения и сдвигов в почве при воздействии на него движителей, выведено уравнение для определения суммарных деформаций при многократном приложении нагрузки

  ,  (9)

где  п - число нагружений (проходов);

χ=(2 qs q - q2)/( qs - q) 2  - коэффициент накопления деформаций.

Из уравнения (9) следует, что накопление деформаций при различных значениях χ стремится к пределу, которым служит hmax.

Определим предельное давление, при котором начинает­ся прогрессивное увеличение глубины колеи, для чего рас­смотрим случай, когда χ = 1 , тогда

; (10)

Назовем отношение Ko=q0/qs=0,293 критерием интенсив­ности колееобразования.

Зависимость глубины колеи от числа проходов для сельскохозяйственной машины  показан на  рис. 3.

Повышение плотности грунта при многократных про­ходах рассчитывали по формуле:

  .  (11)

Рис. 3. Зависимость глубины колеи от числа проходов

а) для правой гусеницы  в) для левой гусеницы

Для тракторов с боковой навеской машин величина уплотнения грунта правой  и  левой гусеницы  существенно  отличаются. Так для  трактора

ДТ-175С с боковой навеской, величина уплотнения грунта под правой, наиболее нагруженной гусеницей, на 25% больше, чем под левой гусеницей.

Некоторое расхождение расчетов с опытом (рис.3) могут быть объяснены рядом причин, одной из которых яв­ляется непостоянство физико-механических свойств почвы на трассе движения  машины. Тем  не  менее,  как показала ста­тистическая обработка опытных данных, выражения (12) и (14) в достаточной степени отражают общую тенденцию увеличе­ния глубины колеи и плотности грунта в колее гусеничной машины в зависимости от накопления деформаций уплотне­ния при многократных проходах.

В четвертой главе «Исследование изменения физических свойств почв при взаимодействии с гусеничными движителями сельскохозяйственных тракторов» изложены результаты экспериментальных исследований изменения физических свойств почв после воздействия на них движителей трактора ДТ-175С. 

Эксперимент заключался в том, что трактором ДТ-175С со средним давлением 61,6 кПа были накатаны следы с числом проходов от 2 до 100. После этого на каждом участке были взяты образцы для определе­ния тех изменений, которые произошли в характеристике фи­зико-механических свойств почвы. Следует отметить, что плотность твердой фазы практически не изменялась, а влажность изме­нилась незначительно, вследствие чего эти показатели в дальнейшем из анализа исключены. Основное внимание с точки зрения изменения растительных свойств было обраще­но на изменение плотности и порозности.

Данные, показывающие изменение физико-механических свойств дерново-слабоподзолистой легко-суглинистой почвы в тракторной колее при различном числе проходов, приведе­ны в табл. 1, которые  свидетельствуют о том, что уже первые два прохода увеличивают плотность верхнего горизонта поч­вы на 10%, а слоя в 15 см - на 7%. При этом порозность уменьшилась на 8%. По мере увеличения числа проходов возрастает плотность как верхнего пятисантиметрового го­ризонта, так и всего слоя толщиной 15 см. Плотность верхне­го слоя стабилизируется уже после четырех проходов, делая новый скачок на 20-м проходе. Таким образом, ведет себя и коэффициент уплотнения, показавший увеличение на 28%. Порозность при этом падает на 24%. Среднее увеличение плотности происходит менее резко и достигает максимума практически при 20 проходах.

Отметим,  что  уже при 4…8 проходах порозность падает до критических величин, а к 10-му проходу достигает очень низкой величины - менее 40%, кроме верхнего слоя, разрых­ляемого почвозацепами гусениц. При использовании материалов, представленных в табл. 1, особое внимание должно быть обращено на горизонты, где плотность почвы достигла или превзошла пороговое значе­ние 1,65...1,70 г/см3, которое достигается  при 10 и более проходах по одной и той же ко­лее и характеризуется показателем плот­ности почвы и коэффициентом уплотнения. Но для ис­пользования этого показателя необходимо иметь его биоло­гическую интерпретацию, которая, к сожалению, до сих пор не разработана достаточно обоснованно. Поэтому нами на основе литературных данных и собственных  исследований была составлена шкала характеристики растительных свойств уплотненной дерново-подзолистой почвы в среднем по профилю до глубины 35 см (табл.2).

Приведенная характеристика справедлива для слоя в це­лом, а внутри него могут быть (и обычно встречаются) гори­зонты с другими растительными характеристиками.

Полученные результаты заставляют более внимательно относиться к распределению плотности почвы по горизон­там. Кроме того, экспериментально полученные данные сви­детельствуют о достаточно высокой точности полученных уравнений, так как различие теоретических и фактических данных величин уплотнения почв не превышают 7-9%.

Следует указать на некоторые особенности деформации грунта гусеничными движителями. На основании анализа экспериментальных эпюр следует, что давление на грунт передают только те звенья, которые в данный момент находят­ся под осями опорных катков.

При этом условная длина гусеницы нагружающий грунт равна:

St=nкtзв, (12)

где  nк - число катков одного борта машины, tзв - шаг звена гусеницы.

Для случая, когда деформация сдвигов мала и колея об­разуется, в основном, в результате уплотнения грунта на осно­вании уравнения найдем:

  (13) и

Таблица 1

Изменение физических свойств дерново-слабоподзолистой  легкосуглинистой почвы в колее при различном числе проходов

(14)

Если предел несущей способности мало отличается от среднего давления гусениц, то максимальное давление в про­цессе деформации будет:

  (15)

Уравнение (15) означает, что полное выравнива­ние давления по длине опорной ветви гусеницы произойдет, когда грунт исчерпает способность уплотнения и в этом слу­чае St=L; где: L - длина опорной части гусеницы.

Выразив условную длину опорной поверхности гусени­цы через функцию отношения среднего давления к пределу несущей способности грунта, получим St=nкtзв+(L-nкtзв)·A, где А=F(qcр/qs) - некоторая функция отношения среднего давле­ния к несущей способности грунта.

Сопоставление данных расчетов глубины колеи с дан­ными замеров показало, что удовлетворительные результаты получаются при равенстве:

  , (16)

где qcр =G/2Lв (G - масса трактора). 

Таблица 2

Характеристика дерново-подзолистой почвы по профилю 0...35 см после уплотнения движителями машин

Тогда условную длину опорной поверхности можно вычислить по формуле

  . (17)

Исследования показали, что характер распределения и величина давлений на опорную поверхность гусениц в значи­тельной мере определяют осадку и уплотнение грунта.

Установлено, что боковая навеска рабочих органов увеличивает степень уплотне­ния грунта под наиболее нагруженной гусеницей на 22%, что  отрицательно влияет на рост травяного покрова. В то же время глубина колеи определяется областью максималь­ных давлений опорной поверхности гусеницы. Поэтому необхо­димо стремиться к снижению числа проходов и qср для повы­шения проходимости и уменьшения вредного воздействия движителей на степень минерализации травяного покрова. Для этого необходимо увеличить размеры гусениц и снижать массу машины. Эффективно также уменьшение отношения расстояния между катками lк к шагу звеньев tзв..

Таким образом, на основе системного комплексного подхода к проблеме экологических последствий воздействия сельскохозяйственных машин на почву, разработана многофактор­ная модель системы "машина - технология - почва", реализа­ция которой позволяет:

-оценивать степень уплотнения почвы движителями сельскохозяйственных машин;

  1. выбирать экологичную технологию работы машин;
  2. уточнять параметры ходовых систем сельскохозяйственных машин с целью снижения уплотняющего воздействия их на почву.

Дифференцированный подход к процессу колееобразования позволил получить зависимости для определения деформаций уплотнения и сдвига от физико-механических свойств почвы и количества проходов по одному следу.

  Теоретически и экспериментально установлено, что при работе сельскохозяйственных машин  на переувлаж­ненных средне-суглинистых почвах, где превалируют сдвиги почвы, экологический ущерб выражается в высокой степени их минерализации.

В результате исследований также установлено, что смещение центра масс в сторону задней оси трактора и применение бо­лее широких гусениц значительно снижает экологическую на­грузку на почву.

Харьковский и Волгоградский тракторные заводы совместно с НАТИ и Харьковским Политехническим институтом разработали индивидуальную систему подрессоривания с торсионными упругими элементами, ко­торая была предложена в качестве базовой модели для еди­ной ходовой системы  тракторов класса 3.

Нами проведены исследования по определению количественных взаимосвязей между неравномерностью удельных давлений, типом подвесок, отношением расстояния между опор­ными катками (lк) к шагу гусеницы (t), распределением на­грузки по опорным каткам.

Исследования показали, что применение новой подвески  существенно снижает давление движителей (на 17%) и степень его неравномер­ности.

Для переувлажненных почво-грунтов необходимо со­блюдать условие qmax/qср<1,3-1,5. Пороговое значение qср не должно превышать 0,012-0,18 МПа, для грунтов с дерновым покровом  qср =0,025-0,03 МПа.

Установлено, что определяющее влияние на процесс уплотнения суглинистых почв и глубину колеи оказывает кратность проходов сельскохозяйственных машин по одному следу (рис.4).

Как следует из графика существенным фактором, влияющим на уплотнение почвы, является способ навески ра­бочих органов сельскохозяйственных машин.

Так, при боковой навеске при 4-х проходах трактора ДТ-175С величина напряжения в почве достигает 1,6105 Н/м2. При задней навеске величина напря­жения в грунте снижается до 1,2105 Н/м2 при тех же условиях.

Осуществлялся многократный наезд трактором ДТ-175С со скоростью 0,74 м/с с различными навесками рабочих орга­нов в трехкратной повторности. Результаты измерений по­зволяют сделать вывод, что движители трактора ДТ-175С создают повышенные значения напряжений, особенно в верхних слоях почвы 105(3,5-2,5)Н/м2, которые распростра­няются на значительную глубину. Далее наблюдается плав­ный спад давления с увеличением глубины.

Однако  на  глубине  0,4 м  еще  наблюдается  давление  в 1,1105 Н/м2. По отношению к исходной плотности 1,35103 кг/м3 (почва тяжелого механического состава при влажности Wвл=26%) прирост плотности почвы в слое 0-0,20 м составил 0,35103 кг/м3.

Дальнейшие исследования напряжений и пере­мещений, возникающих в почве, при воздействии на нее гусениц трактора ДТ-175С были проведены в обычном и экспериментальном исполнении движителей трактора. При помощи разработанной измерительной установки с полупроводниковыми датчиками были проведены исследования распределения давления в почве под гусеницами трактора ДТ-175С с различной навеской рабочих органов.

В результате эксперимента зафиксировано значительное снижение  удельного давления при смещении центра масс трактора ДТ-175С, обусловленное смещением двигателя на 20 см.

Также отмечено, что использование на данном тракторе индивидуальной подвески опорных катков позволяет на 60-66% снизить напряжение в почве в зависимости от скорости движения.

Приращение плотности почвы прямо пропорционально связано с увеличением её деформации. Данные экспериментальных исследований показывают, что деформации черноземной почвы под движителем трактора ДТ–175С (серийный) в слое 0…0,3 м на 38…46% ниже, чем под движителем с индивидуальной подвеской трактора ДТ – 175СИ, а в слое 0,30,5 м - на 72%.

В пахотном горизонте деформация почвы после первого прохода трактора ДТ – 175С составляет в среднем 6% и при последующих проходах нарастает по 0,4…0,7% до глубины 0,4…0,5 м.

Рис. 4. Зависимость давления от числа проходов трактора ДТ-175С на дерново-карбонатной среднесуглинистой почве под левой (2) и под правой (1) гусеницами с боковой (4) и задней (3) навеской рабочих органов на глубине 0,1 м.

Анализ результатов измерения твердости черноземной почвы показал, что с увеличением горизонта почвы твердость ее возрастает. Твердость почвы по следу трактора ДТ – 175С существенно больше, чем по следу ДТ- 175СИ. В слое 0…0,1 м в 1,5…2 раза, в пахотном слое в 1,2…1,5 раза. Трактор ДТ – 175С существенно увеличивает твердость почвы в слое 0…0,3 м, причем изменение твердости при многократных проходах наблюдается до глубины 0,5 м. Твердость почвы также как и плотность почвы зависит от кратности воздействия трактора, его скорости и влажности почвы, а также от конструктивных особенностей ходовой системы.

Пятая глава  содержит общие формулировки  математических моделей пневматической шины и деформируемого грунтового основания и их обоснование; локальную и вариационную формулировку задачи о контакте шины с основанием и описание методики её решения.

Пневматическая шина рассматривается как многослойная вязкоупругая оболочка переменной толщины со сложной формой меридиана.

В пределах индивидуального слоя предполагается линейный закон распределения перемещений по толщине:

(18)

где - вектор перемещения точки к-го слоя,  - вектор перемещения базы параметризации слоя, - вектор поворотов-обжатий нормали, - нормальная координата Гауссова триэдра, - тензор кривизны локальной базы параметризации.

Тензор деформации Коши-Грина в пределах классического слоя определяется соотношениями среднего изгиба оболочек средней толщины. Переход к глобальной базе параметризации осуществляется, следуя В.Н. Паймушину.

Предположение об идеальном контакте слоев позволяет полностью охарактеризовать кинематику шины перемещениями её нечетных слоев.

Далее на основе термомеханики  шинных материалов при статических и динамических нагружениях формулируются вариационные принципы статики и циклики  шин как многослойных оболочек.

Основываясь на подходе А.С. Кузьмина к построению моделей многослойных оболочек на базе сопряженных аппроксимаций полей трансверсальных деформаций и напряжений, сформулированы локальные формулировки задач о статическом и циклическом деформировании шины как многослойной оболочки.

Получаемые системы уравнений являются дифференциальными по координатам глобальной базы параметризации и разностными по номеру слоя. Это позволяет значительно упростить решения задач статики и циклики шин, основываясь на развитом Ю.Н. Новичковым и А.С. Кузьминым структурно-континуальном подходе к расчету шин.

Во втором параграфе главы сформулирована математическая модель деформируемого основания.

Основание рассматривается как неоднородное вязкоупругопластическое пористое тело, состоящее из однородного вязкоупругого полупространства, на котором распложен толстый слабонеоднородный изотропный частично влагонасыщенный слой, на котором, в  свою очередь, лежит неоднородный анизотропный пористый частично влагонасыщенный слой средней толщины.

В пределах каждого из слоев грунта его динамика описывается уравнениями неразрывности фаз и движения фаз с учетом закона Генри, а уравнение состояния изотропной части скелета принимается в форме Б.Е. Победри

  (19)

где  - ядра ползучести грунта, - первые инварианты тензоров  и деформаций, соответственно, - компоненты девиатора напряжений и деформации, - параметр пластичности А.А. Ильюшина, - интенсивность сдвигов, - известные функции определяющие тип модели.

  В пределах армированного волокнами растительных остатков с концентрацией волокон в предположении об однородности распределения арматуры по координатам базы параметризации дневной поверхности и заданной плотности распределения волокон по углу с вертикалью  потенциал твердой фазы есть

.  (20)

В силу водоупорности подстилающего полупространства в нем , в силу вязкоупругости  - .

Следуя Йосселену де Ионгу, и применяя асимптотическое стохастическое описание для каждого из слоев в относительных скоростях для жидкой и газовой фаз после стохастической линеризации получены уравнения обобщенного закона Дарси, где уравнения движения среды в целом описываются поровым давлением , осредненными концентрациями  , , осредненным тензором напряжений и вектором перемещений скелета  и параметром пластичности , то есть являются моделью вязкоупругопластического тела с внутренними переменными.

  Далее формируется вариационный, точнее, квазивариационный принцип, которому удовлетворяет деформирование основания.

Третий параграф главы посвящен определению номенклатуры существенных для динамики МТА выходных характеристик шин в контакте с деформируемым  основанием. К числу выходных характеристик шины наряду со стандартным массо-геометрическими относятся следующие: кинематические параметры шины; статические (динамические)  параметры шины; параметры накопления  и рассеяния энергии в шине; характеристики долговечности шины.

Все эти параметры существенно зависят не только от характеристик шины, но и от характеристик основания. Рассматривая выходные характеристики шин как характеристики отображения пятна контакта шин с основанием в пятно контакта шин с ободом колеса, естественно ввести следующие геометрические характеристики: площадь пятна контакта с основанием и с ободом , площадь зон сцепления и скольжения   длина пятна контакта (длина максимальной эквидистанты в пределах пятна контакта) и аналогичные параметры для зоны сцепления . Для описания формы пятна контакта и зоны сцепления естественно ввести относительную длину пятна, то есть отношение хорды соединяющей концы максимальной эквидистанты, к длине пятна максимальной полуширины пятна контакта центральной полуширине пятна контакта , положение и характеристики главных центральных осей пятна контакта, эксцентриситет проекции центра колеса на  пятно, кривизны поверхности контакта в случае деформируемого основания, а также углы между осью вращения колеса и главным центральным осями пятна, осью вращения колеса и концами максимальной эквидистанты, аналогичные характеристики естественно вводят для зон скольжения и сцепления.

Наряду с геометрическими характеристиками пятна контакта, вводятся следующие характеристики геометрии системы в целом: радиус качения , определяемый как расстояние от проекции оси вращения колеса на поверхность контакта до оси колеса; максимальная и минимальная поперечная ширина колеса ; угловые размеры пятна контакта колес с опорной поверхностью, зон скольжения и сцепления по отношению к центру колеса. Для характеристик кинематики колеса  в целом вводятся вектор скорости колеса  и вектор его угловой скорости по отношению к неподвижной системе координат. Для характеристики относительного движения обода колеса и борта шины вводятся главный вектор и главный момент скорости движения борта относительно обода, приведенные к центру колеса. 

В качестве основных статистических параметров вводятся главные вектора и главные моменты контактных усилий, приводя их в случае контакта шины с ободом к центру колеса, а в случае контакта шины с основанием к центру пятна контакта.

В силу отмеченной существенной нелинейности задачи о контактном взаимодействии шины с колесом и деформируемым основанием представляется естественным, не вводя, как это делается обычно, жесткости шины, при обработке результатов вычислительного, стендового или натурного эксперимента искать прямые регрессионные связи между внутренним давлением и динамо на оси колеса, с одной стороны, и геометро-кинематические характеристиками шины и пятна контакта, с другой.

Переход к стандартным жесткостным характеристикам при этом осуществляется частным дифференцированием полученных зависимостей. Преимущество этого подхода при построении машинно-ориентированных систем проектирования колесных машин, таких как САПР, очевиден, поскольку операция дифференцирования экспериментальных данных резко снижает, как известно, точность прогноза, а объем хранимой информации возрастает несущественно. Кроме того, этот подход позволяет наряду со стандартными жесткостями  учесть перекрестные, такие как или жесткостные коэффициенты второго порядка, как

(21)

или обратные к ним упругие характеристики, не только силовой и моментный коэффициенты увода, но и учесть реальную взаимосвязь между углом  увода, стабилизирующим моментом и боковой силой.

Для характеристик диссипации энергии в системе «колеса-шина-основание» естественно выделить следующие основные каналы  накопления и рассеивания энергии: кинетическая энергия движущегося жесткого колеса , потенциальная энергия движущегося колеса  , кинетическая энергия движущейся шины , потенциальная энергия деформации шины , кинетическая энергия деформирования основания , потенциальная энергия деформирования основания , потенциальная энергия контактных нормальных давлений , диссипации энергии в вязкоупругопластическом основании , изучение энергии в основание на бесконечность , диссипация энергии за счет трения в контактных зонах  .                Мощность трения в контактных зонах определяется очевидным соотношением

    (22) Для экспериментального исследования диссипации, наряду со стандартным прямым определением коэффициента по логарифмическому декременту колебаний, поскольку  является глобальной характеристикой, естественно определить главную часть диссипации мощности косвенным путем по расчетно-экспериментальной оценке  кинетической и потенциальной энергии колеса с шиной.

На рис. 5. приведена обобщенная схема, содержащая перечень основных выходных характеристик сельскохозяйственных шин.

Учитывая, что выходные характеристики шины являются интегральными показателями её НДС в контакте с грунтом, естественно для оценки  применять упрощенные модели шин и основание, обеспечивающий необходимую точность по выходным характеристикам и достаточную высокую эффективность расчетных алгоритмов.

С этой целью была разработана методика определения интегральных и локальных характеристик контактного взаимодействия шины с деформируемым основанием и сопоставлена с результатами стендового и натурного эксперимента исследования шин модели ФД-14А. Приведено описание инструментального и методического обеспечения экспериментов.

Рис. 5. Модифицированная номенклатура ВХШ

Для проведения лабо­раторных исследований создан стенд, защищенный авторским свидетельством № 1195210, обеспечивающий, наряду со стандартными для практики исследований шин, измерениями, фотофиксацию пятна контакта на твердой опорной поверхности и позволяющий моделировать движение колеса по деформируемому основанию.

В качестве модели деформируемого основания использована система резинотканевых емкостей, соединенных с управляемой гидравлической системой, что позволяет моделировать как упругие, так и реономные свойства основания.

Натурный эксперимент проводился на  ПФ НАТИ на тракторе Т-150К.

Для определения нагрузочных поверхностей в эксперименте используется теоретико-экспериментальный подход оболочек А.С. Саченкова, сущность которого заключается в том, что на основе теоретического анализа закладываются основанные предположения относительно функции отклика, а параметры последней определяются экспериментально. Для нагрузочных поверхностей приняты функции отклика следующего вида

. (23)

Использую это выражение в качестве регрессионного уравнения, на  основе теории планирования эксперимента, предложено для определения регрессионных коэффициентов применять звездные планы,  построенные на основе насыщенных реплик, удовлетворяющие критериям униформности и ротабельности. Приведен план трехфакторного эксперимента, где в качестве

факторов использованы давление в шине, поперечная нагрузка на колесо и продольная сила на оси колеса, а выходными характеристиками являются кинематические геометрические параметры шины и контактной области.  Аналогичным является подход при планирования натурного эксперимента. Повторность эксперимента выбралась из условия достижения 10-ти процентной величины размаха доверительного интереса  для коэффициентов регрессии и составляла в разных экспериментах от 5 до 10.        

Далее приводятся сопоставления расчетных и экспериментальных результатов по определению выходных характеристик шин. На рис. 6 и 7 сопоставлены результаты определения жесткостных характеристик шин расчетным путем в стендовом и натурном эксперименте на недеформируемом и деформируемом основании. Нетрудно видеть, что расхождение между результатами расчета и экспериментов является статически незначимым, что свидетельствует о корректности предложенных методик оценки внешних характеристик шин.

       Дополнительно обсуждены локальные характеристики напряженно- деформированного состояния шины в контексте с деформируемым основанием. Установлено, что:

1. Циклы напряжений и деформаций не только несинфазны, но и  различны по спектральному составу рис.8.

Рис.6. Жесткостная характеристи­ка шины ФД-14А

1 - - - -  деформируемое основание; 2 ——твердая опорная поверхность.

Рис. 7. Уводная характери­стика шины ФД-14А где: 1 - твердая опорная повер­хность; 2 - деформируемое основа­ние; - натурный эксперимент

Рис.8. Циклы безразмерных интенсивностей деформаций и напряже­ний в центре каркаса шины: ----- напряжение; ——— деформация

Рис.9. Профиль безраз­мерного контактного дав­ления: 1 - твердая опорная повер­хность V=0; 2 - твердая опорная повер­хность V= 17м/с; 3 - деформируемая опорная поверхность V=0

а

б

Рис. 10. Профиль колеи  с шиной ФД - 14А и линии ровного парового давления.

2. Распределение контактного давления по пятну контакта может быть как

унимодальным, так и полимодальным в зависимости от внутреннего давления в шине, свойств грунта и скорости движения колеса рис.9.

3. В процессе колееобразования максимальное переуплотнение достигается на глубине 1-3 ширины пятна контакта и на расстояние 2-5 ширины контакта от центра пятна рис. 10.

Шестая глава посвящена эколого-экономическому обоснованию применения сельскохозяйственных тракторов с модернизированными гусеничными  движителями. Сравнение эффективностей двух вариантов использования существующей и модернизированной техники для обработки

почвы и посевов может служить мерой экономического обоснования вложения средств в инновационную технологию.

Формально ЧДД проекта в целом (общественная эффективность ИПИ может быть  только в целом) можно представить в виде:

  , (24)

где Rt - величина  притоков (в частности, стоимость будущего урожая, а не прибавки); Ct - текущие оттоки: эксплуатационные затраты и др.; It - инвестиции, в том числе альтернативная стоимость  подключенных к проекту активов; LT - эффект, который можно получить (с учетом ликвидационных затрат) за пределами расчетного периода;  d - норма дисконта, в общем случае - переменная величина.

Для расчета урожайности сельскохозяйственной культуры предложено использовать имитационную модель агроценоза яровой пшеницы, разработанную во ВНИИГиМ, в которой погодные и др. условия роста и формирования урожая будут оставаться постоянными, а плотность почвы будет задаваться по результатам ранее проведенных исследований влияния числа прохода трактора на плотность почвы.

Для оценки влияния уплотнения почвенного покрова на урожайность яровой пшеницы было поставлено серия численных экспериментов с моделью агроценза яровой пшеницы. В пакете входной информации к модели агроценоза почвенные условия задавались по характеристикам дерново-слабоподзолистой легкосуглинистой почвы (Дмитровский р-н, Московская обл.): погодные данные (1995-98гг.) и сроки сева взяты по данным метеостанции г. Долгопрудный (Московская обл.). Результаты расчетной урожайности по категориям уплотнения почвы представлены  в табл. 3.

Принимая ширину сельскохозяйственных орудий (используемых для выполнения полевых работ механизированным способом) от 2 до 23 м,  ширину гусениц – 0,47 м, боковую деформацию 0,5 м и учитывая 8 операций полевых работ до завершения сева, можно допустить, что за весенний период вся поверхность почвы подвергается  однократному воздействию.

Таблица 3

Урожайность яровой пшеницы (т/га) на почвах различной уплотненности

Год

Степень уплотнения почвы

Не-уплотненные

Слабо-уплотненные

Средне-уплотненные

  Сильно-уплотненные

Пере-уплотненные

1995

1,97

1,79

1,33

0,91

0,90

1996

3,20

2,83

2,00

1,69

1,42

1997

2,12

1,76

0,85

0,76

0,73

1998

1,58

1,34

0,71

0,61

0,65

Среднее

2,22

1,93

1,22

0,99

0,92

Рис.11. Изменение плотности почвы в зависимости от числа проходов тракторов: 1- неуплотненная, 2 - слобоуплотненная, 3 – среднеуплотненная, 4 - сильноуплотненная, 5 – переуплотненная.

Приведенные выше данные использованы нами в сравнительных расчетах экономической эффективности производства зерна яровой пшеницы с применением стандартного (ДТ-175С) и модернизированного тракторов (ДТ-175СИ).

Рис. 12. Динамика ЧДД двух вариантов инвестирования средств: на модернизацию техники и агромелиорацию уплотненной почвы (при нормах дисконта равных 0,06 и 0,15)

Результаты расчетов экономической эффективности по двум альтернативным вариантам показывают несомненное преимущество вложения средств в инновационную технологию, обеспечивающую сохранение почвенного плодородия в течение длительного срока за счет снижения механической нагрузки при подготовки почвы к севу в ранневесенние сроки. Именно щадящий режим обработки почвы, не допускающий ее быстрой эксплуатационной деградации, в случае модернизации трактора обеспечивает значительно большую экономическую эффективность (на 48-58%) по сравнению с использованием стандартной техники, требующей применения агромелиоративных мероприятий для восстановления агрофизических свойств деградированной почвы.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Обоснована структурная схема экологических взаимосвязей системы "Трактор-технология-почва". При рассмотрении экологической совместимостью этой системы и внешней среды принимаем совокупность показателей, обеспечивающих ми­нимальное уплотнение почвы и воспроизводство культурной раститель­ности. Реализация этой системы позволяет оценить нанесение экологического ущерба в конкретных условиях, выбрать подходящую систему машин и технологию, уточнять параметры ходовых систем тракторов и машин.

2. При условии обеспечения расчетной производительности, в каждом конкретном случае на систему накладываются ограничения по степени уплотнения и минерализации почв в соответствии с требованиями каждого региона. В  качестве  критериев  экологической  оценки  уплотняющего воздействия ходовых систем сельскохозяйственной техники применяются следующие показатели: степень крашения почвы при  обработке; глубина распространения уплотнения; глубина колеи; изменение прочностных характеристик почвы; разуплотнение  почвы под действием природных факторов; нарушение почвенного покрова; минерализация почв, выражающаяся в переходе питательных веществ в усвояемые формы под действием буксования движителей.        

3. Одним из важных параметров взаимосвязи системы движитель-почва является несущая способность почво-грунтовых опорных оснований, характеризующих проходимость МТА и уплотнение почвы.                        Аналитически определено значение критерия колееобразования К0=q0/qs=0,293. Получена зависимость для определения величины  и характера распределения нормального давления на почву по звену гусеничного движителя и всему опорному участку гусеницы, которая включает как конструктивные основные параметры ходовой системы, так и эксплуатационные показатели трактора. Результаты расчетов по предложенной зависимости хорошо согласуются с экспериментальными данными (расхождения несущественны при 5% уровне значимости).                                4. Установлено, что глубина колеи под движителем представляет собой сумму деформаций уплотнения и сдвигов. На основании этого положения выведены математические модели глубины колеи и уплотнения почвы в колее при однократном и многократных проходах движителя с учетом линейных и нелинейных составляющих деформаций уплотнения и сдвигов почвы. Для практических расчетов глубины колеи и уплотнения почвы в колее достаточно знать численные значения трех величин: коэффициента линейной деформации, несущую способность и предельную деформацию.                                               Степень деформации зависит от физико-механических свойств почвы, ее влажности и плотности, величины нагрузки, задернелости почвы. При повторных проходах машин происходит более интенсивное накопление деформации, что может привести к разрушению структуры почв. Задернелые поверхности обладают повышенной прочностью. Поэтому одним из важных экологических требований к работе сельскохозяйственных машин является сохранение дернового покрова и сохранение условий его возобновления.        5. В результате исследований на полигоне уплотняющего воздействия гусеничного трактора ДТ-175С определены допустимые с точки зрения экологии пределы уплотнения почвы и нарушения травяного покрова. Так, для увлажненных минеральных почв отношение  qmax/qср должно быть в пределах 1,3-1,5; для почв с дерновым покрытием экологически допустимое давление  qэ должно быть пределах 0,012-0,018 МПа.                                                Степень нарушения травяного покрова не должна превышать 25-30%. В результате обработки литературных данных и собственных исследований составлена шкала характеристики растительных свойств дерново-подзолистой почвы при различной плотности установлено, что пороговое значение  плотности, при котором прекращается или сильно затрудняется рост корней растений, находится в диапазоне 1,65-1,70 г/см3.                

6. Эксперименты на полигоне показали, что прохода трактора ДТ-175С резко ухудшают физико-механические свойства почвы на глубину 40-60 см. После первого прохода деформация почвы составляет в среднем 6% и при последующих проходах нарастает по 1,3-2%. При двух проходах плотность верхнего слоя увеличивается на 10%, а слоя в 15 см – на 7%. При этом порозность уменьшалась на 8%. Плотность верхнего слоя стабилизируется после четырех проходов, делая скачек на 20-м проходе. Порозность падает до критических значений (30%) при 10 проходах.                                                7. В результате испытаний было установлено, что серийная конструкция подвесок опорных катков не удовлетворяет требованиям неравномерности распределения давлений под гусеницей и её решено было заменить на индивидуальные подвески.                                                                        Трактор с новой конструкцией подвески опорных катков позволил снизить глубину колеи на 60-66%, а максимальные удельные давления на почву снизились на 18-25%, глубина деформации снижается с 0,5-0,3 м; критическое значение плотности почвы достигается при третьем проходе трактора ДТ-175С с серийной конструкцией гусеницы, а трактора модернизированного только после  12-14 проходов.                                                8. Нами предложено вести изменения в конструкцию серийных тракторов типа ДТ-75, Т-170 и ДТ-175С, в том числе увеличить число опорных катков с 6 до 9, сократить расстояние между опорными катками, смешение двигателя вперед, увеличение площади гусениц, перечисленные мероприятия позволят обеспечить снижение уплотнения почвы на 35%. Коэффициент неравномерности распределения удельного давления по опорной поверхности гусениц трактора ДТ-175СИ с индивидуальным подрессовыванием опорных катков на 11-17% меньше, чем при балансирном подрессоривании трактора  ДТ-175С. использование трактора ДТ-175СИ на посеве и на подготовке почвы по посев существенно (почти в 1,5 раза) снижает уплотнение почвы.        

9. Предложена модель грунтового основания как однородного частично водонасыщенного пористого вязкоупругопластичного тела, обеспечивающая учет основных реологических характеристик грунта и стохастического разброса его свойств, а также методика определения интегральных характеристик контактного взаимодействия эластокомпозитных оболочек с деформируемыми основаниями в приложении к определению выходных характеристик шин. Обсуждено возможное расширение и применение номенклатуры выходных характеристик шин.                                                10. Выявлено значительное влияние деформируемости основания на жесткостные и уводные характеристики шин. Обнаружено, что при движении колеса по водонасыщенному вязкоупругому основанию, максимальное переуплотнение почвы имеет место в точке, удаленной от центра пятна контакта шины с основанием.

  Кроме того, обоснована номенклатура выходных характеристик шин сельскохозяйственных машин и разработана методика их расчетной оценки.        11. На специальном стенде определен ряд эффектов контактного взаимодействия шин с недеформируемым и деформируемым основаниями: а) установлено качественное различие в поведении шины: на жестком основании прогибы шины линейны, на деформируемом – нелинейны; б) максимальное поровое давление в деформируемом основании достигается на глубине примерно равной ширине шины и того же порядке в поперечном направлении от центра контакта;

в) циклы напряжений и деформаций в движущейся шине синфазны и различны по  спектральному составу;

г) имеет место асимметрия контакта при движении шины, особенно при движении по деформируемому основанию.        

12. Выполнена сравнительная оценка эффективности инвестирования средств в модернизацию сельскохозяйственной техники и агромелиоративные мероприятия для снижения негативного влияния антропогенной нагрузки на почву при ее механической обработке в предпосевной период. Установлено, что (при повышенной влажности обрабатываемой почвы) снижение механического воздействия движителей на почву за счет модернизации обеспечивает  2,0 - 2,5 раза увеличение продолжительности эксплуатации пахотных земель при сохранении плотности почвы и продуктивности посевов. Экономическая эффективность использования инновационной техники (трактор ДТ-175СИ) на 48-58% выше  по сравнению с использованием трактора ДТ-175С, механическая нагрузка которого на почву требует последующего (через 6-8 лет) применения агромелиоративных мероприятий для восстановления агрофизических свойств деградированной почвы.

                                                       

Список опубликованных работ

В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Карапетян, М.А. Основы концепции экологической совместимости системы «машина-трактор-технология-почва» [Текст] / М. А. Карапетян // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2005. – №9. – С. 30–32.

2.Карапетян, М.А. Управление движителями транспортно-технологических систем [Текст] / М.А. Карапетян, В.Н. Пряхин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2005. – № 10. – С.22-24.

3. Карапетян, М.А. Образование колеи на почве при многократных проходах сельхозмашин [Текст] / М.А. Карапетян //Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2007. – № 9. – С.31-33.

4. Карапетян, М.А. Уплотнение почвы при образовании колеи сельхозмашинами [Текст] / М.А. Карапетян // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2007. – №10. – С.31-32.

5. Карапетян, М.А. Результаты исследования коэффициента линейной деформации почвы [Текс]/ А.К. Тургиев, М.А.Карапетян // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. – 2007. –  №2 (22). –  С.57– 59.

6. Карапетян, М.А. Математическое обеспечение расчета эластокомпозитной оболочки вращения [Текс] / М.А. Карапетян // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Сер. агроинженерия. –  2007. – №3(23). –  С.77– 80.

7. Карапетян, М.А. Деформация почвы гусеничным движителем [Текст]/ М.А. Карапетян // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2007. – №6. –  С.27– 29.

8. Карапетян, М. А. Математическая  модель деформации почвы сельхозмашинами [Текст] / М.А. Карапетян // Механизация и электрификация сельского хозяйства. –  2007–№5. – С.26– 28.

9.        Карапетян, М.А. Расчет алгоритма управления исполнительной системы МТА [Текс] / М.А. Карапетян, Э.Э. Темирсултанов, В.Н. Пряхин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2006. –  №8. – С.25– 28.

10. Карапетян, М.А. Воздействия движителей трактора на физические свойства почвы [Текст] / М.А. Карапетян // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2008. – №7. – С.50–51.

11. Карапетян, М.А. Возможные риски в технических системах на объектах агропромышленного комплекса [Текс] / В.Н. Пряхин, М.А. Карапетян, С. Добренко, Н.А. Мочунова // Международный научный журнал.­– 2010. ­– №3. – С.36–40.

12. Карапетян, М.А. Простейший способ образования колеи [Текст] / М.А. Карапетян // Естественные  и технические науки. – 2010. – №4. – С. 418 – 420.

13. Карапетян, М.А. Потери энергии на  смятие почвы [Текст] / А.К. Тургиев, М.А. Карапетян, Н.А. Мочунова // Международный технико-экономический журнал. – 2010. – №3. – С. 62 – 64.

14. Карапетян, М.А. Моделирование тяговой нагрузки [Текст] / А.К. Тургиев, М.А. Карапетян // Тракторы и сельхозмашины. – 2010. – №9. – С.6 – 7.

15. Карапетян, М.А. Эколого-экономическая  оценка эффективности модернизации движителей сельскохозяйственных тракторов [Текст] / М.А. Карапетян, А.Н. Куликов, Ю.П. Добрачёв // Экономика сельскохозяйственных и перерабатывающих предприятий.– 2010. – №8.– С. 34 – 36.

В других изданиях:

16. Карапетян, М.А. Математическое моделирование эколого-технологических процессов уплотнения почв: Монография [Текст]  / М.А. Карапетян. – Изд-во «Спутник+», 2004. – 76 с.

17. Карапетян, М.А. Контактные взаимодействия эластокомпозитных оболочек с деформируемым основанием в приложении к расчету шин. Монография [Текст] / М.А. Карапетян. – Изд-во «Спутник+», 2004. – 88 с.

18. Карапетян, М.А. Выходные характеристики пневматических шин в контакте с деформируемым основанием их номенклатура и расчетно-экспериментальное исследование. Монография [Текст]  / М.А. Карапетян. – Изд-во «Спутник+», 2005. – 60 с.

19. Карапетян, М.А. К оценке колееобразования  и  переуплотнения  грунта при  движении колесных машин [Текст] /М.А. Карапетян, Н.А. Диятян, А.С. Кузьмин // Эффективность использования,  эксплуатация  и  ремонт мелиоративных  машин : Сб. науч. трудов. МГМИ,– М.: 1989. - С. 50-61. 

20. Карапетян, М.А. Стенд  для  испытания крупногабаритных шин [Текст]/ М.А. Карапетян, А.Б. Белослюдовым //Механизация строительных и эксплуатационных работ в мелиорации: Сб. науч. трудов. – М.: МГМИ, 1990.- С. 59-66.

21. Карапетян, М.А. Применение  колесных  динамометров  в натурном эксперименте по определению жесткостных характеристик шин [Текст] / М.А. Карапетян, Н.А. Диятян // Механизация строительных и эксплуатационных работ в мелиорации Сб. науч. трудов. – М.: МГМИ, 1990. - С. 66-70.

22. Карапетян, М.А. К методике определения жесткостных характеристик пневматических  шин  в стендовом эксперименте [Текст] / М.А. Карапетян // Механизация строительных и эксплуатационных работ в мелиорации: Сб. науч. трудов. – М.: МГМИ,1990.- С. 91-94;

23. Карапетян, М.А. Математическая  модель  внутренней  механики пневматических шин [Текст] / М.А. Карапетян // Реферативный журнал Механизация и электрификация с.-х. производства. - №10. - 1990.

24. Карапетян, М.А. Математическая  модель  деформируемого основания [Текст] / М.А. Карапетян, А.С. Кузьмин // Реферативный журнал «Механизация и электрификация с.-х. производства». - №10.- 1990.

25.  Карапетян, М. А.Датчик крена /М.А. Карапетян // Депонирование научных работ, ВИНИТИ.- №11.- 1990.- 110 с.

26. А.с. 1633315 СССР. Стенд  для  испытания  пневматических шин [Текст] / А.Б. Белослюдов, В.И. Кнороз, А.Ф. Левченков, Б.В. Темнов, М.А. Карапетян, Н.А. Диятян; Заявл. 06.03.1989; заявитель Московский гидромелиоративный институт; регистр в реестре от 08.11.1990.

27. А.с. 1434253 СССР. Устройство для  измерения  угла наклона [Текст] /  Л.М. Вартанян, М.А. Карапетян; Заявл. 14.08.1985; заявитель Южный филиал научно-производственного объединения по тракторостроению; регистр в реестре от 01.07.1988.

28. Карапетян, М.А. Несущая способность и предельная деформация уплотнения грунта.// [Текст] / М.А. Карапетян // Проблемы экологической безопасности и природопользования: Материалы Международной научно-практической конференции. Вып. №5.- М.: Норма, 2004,- С.253-255.

29. Карапетян, М.А. Среднее и максимальное давление на опорной массив [Текст] / М.А. Карапетян // Проблемы экологической безопасности и природопользования: Материалы Международной научно-практической конференции. вып. №5.- М.: Норма, 2004,- С.248-249.

30. Карапетян, М.А. Анализ напряженного состояния грунтов [Текст] / М.А. Карапетян // Проблемы экологической безопасности и природопользования: Материалы Международной научно-практической конференции. Вып. №5.- М.: Норма, 2004, - С.242-244.

31. Карапетян, М.А. Экспериментальные исследования влияния гусеничных движителей трактора ДТ–175С на уплотнение и минерализацию почв [Текст] / М.А. Карапетян // Проблемы экологической безопасности и природопользования: Материалы Международной научно-практической конференции. Вып. №5.- М.: Норма, 2004, С.255-257.

32. Карапетян, М.А. Совершенствование технологий и управление технологическими процессами производства [Текст] /  М.А. Карапетян, В.Н. Пряхин // Учебное пособие. « Спутник +», - М.: 2005.- 161 с.

33. Карапетян, М.А. Разработка новых ресурсосберегающих экологически безопасных технологий обработки почвы, с использованием конструктивно разработанной с.-х. техники [Текст] / Э.Э. Темирсултанов, В.Н. Пряхин, М.А. Карапетян, Х.А. Касимов // Материалы Международной научно-практической конференции «Проблемы экологической безопасности и природопользования» Том 1. - М.: Норма, МАЭБП, 2005. – С. 124-128.

34. Карапетян, М.А. Модифицированная номенклатура выходных характеристик шин [Текст] / М.А. Карапетян // Техника и технология. -  2004. -  №6. -С. 9-11.

35. Карапетян, М.А. О разработке экологически чистых технических средств и технических процессов для объектов АПК [Текст] / М.А. Карапетян, Э. Э. Темирсултанов, В.Н. Пряхин // Естественные и технические науки. – 2004.- №6  – С. 164-165.

36. Карапетян, М.А. Моделирование АСУ эколого-технологических процессов с.-х. производства [Текст] / М.А. Карапетян, В.Н. Пряхин //  Естественные и технические науки. – 2005. - №2  – С. 237-239.

37. Карапетян, М.А. Математические методы анализа уровня развития конструкций ходовой части мобильных транспортных средств [Текст]/ М.А. Карапетян,  В.Н. Пряхин, Г.А. Ткачев // Природообустройство и рациональное природопользование – необходимые условия социального-экономического развития России/ Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической  конференции, посвященной 75-летию основания МГУП Часть 1. - М.: МГУП, 2005. – С. 406-409.

38. Карапетян, М.А. Вероятностное прогнозирование в условиях сельскохозяйственного производства [Текст] / М.А. Карапетян, В.Н. Пряхин, Т.А. Ткачев // Природообустройство и рациональное природопользование – необходимые условия социально-экономического развития России. Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической  конференции, посвященной 75-летию основания МГУП. Часть 1.  - М.: МГУП, 2005. – С. 403-406.

39. Карапетян, М.А. Экспериментальная оценка основных параметров гусеничного движителя МТА и его  уплотняющего воздействия на почву [Текст] / А.Н. Бухаровская, М.А. Карапетян, В.Н. Пряхин // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической  конференции «Роль природообустройства сельских территорий в обеспечении устойчивого развития АПК». Часть II. – М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2007. – С. 179-183.

40. Карапетян, М.А. Обоснование основных энергетических и эколотехнологических параметров МТА [Текст] / Н.А. Мочунова, М.А. Карапетян, В.Н. Пряхин // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической  конференции «Роль природообустройства сельских территорий в обеспечении устойчивого развития АПК». Часть II. – М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2007. – С. 199-202.

41. Карапетян, М.А. Исследование деформируемого основания под действием колёсного движителя [Текст] /М.А. Карапетян // Вестник Международного общественной академии экологической безопасности и природопользования. – Изд-во МОАЭБП. – 2009. – №6 (13). – С. 160–173.

42. Карапетян, М.А. Метод решения задач о седловой точке [Текст]  М.А. Карапетян // Вестник Международного общественной академии экологической безопасности и природопользования. – Изд-во МОАЭБП. – 2009. – №6 (13). – С. 174–179.

43. Карапетян, М.А. Физико-механические свойства почвы [Текст] /М.А. Карапетян, А.Н. Бухаровская, Е.И. Выбрик // Вестник Международного общественной академии экологической безопасности и природопользования. – Изд-во МОАЭБП. – 2009. – №7 (14).- С.111-115.

44. Карапетян, М.А. Деформационные и прочностные свойства почв [Текст] /М.А. Карапетян, Н.А. Мочунова, Е.И. Выбрик // Вестник Международного общественной академии экологической безопасности и природопользования. – Изд-во МОАЭБП. – 2009. – №7 (14).- С. 116.







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.