Разрушитель структуры прочной почвы
DESTRUCTOR OF STRONG SOIL STRUCTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Разрушитель структуры прочной почвы относится к устройствам для обработки почвы.
Уровень техники
Известны устройства для обработки почвы, см., например, книгу «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» раздел «Машины и орудия для обработки почвы», под редакцией акад. Г.И. Листопада, М.: Агропромиздат, 1986 г. или, книгу Н.И. Кленин и В.И. Сакун «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» раздел «Машины и орудия для обработки почвы», М.: Колос, 1994 г. Недостатком известных устройств является невозможность с их помощью осуществить разрушение структуры прочной почвы.
Известно почвообрабатывающее орудие (патент RU 2120710 С1, опубл. 27.10.1998) содержащие установленные на раме в ряд под острым углом к направлению движения рыхлительные рабочие органы с вертикальными плужными отвалами. Профиль рыхлительных рабочих органов выполнен в виде части конической поверхности выпуклостью вверх.
Недостатком почвообрабатывающего орудия являются трудоемкие операции по замене рабочих органов с последующей регулировкой и значительные затраты энергетических и механических ресурсов при их использовании.
Наиболее близкими к заявляемому устройству по конструкции и технической сущности являются культиваторы, чизели, глубокорыхлители и другие устройства, включающие рабочий орган, взаимодействующий с почвой в ее толще, например, лапа плоскореза, рыхлящее долото и другие, включающие жесткие стойки, соединенные с рабочим органом, заглубляющий механизм и тяговое устройство, изображенные на рис. 1.1 и рис. 1.4, в книге «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» раздел «Машины и орудия для обработки почвы», под редакцией акад. Г.И. Листопада, М.: Агропромиздат, 1986 г, или в книге Н.И. Кленин и В.И. Сакун «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» на рис. 1.60, рис. 1.66 в разделе «Машины и орудия для обработки почвы», М.: Колос, 1994 г. Недостатком известных устройств также является невозможность с их помощью эффективно осуществить разрушение структуры прочной почвы.
Раскрытие изобретения
Все известные почвообрабатывающие устройства классифицируются по многочисленным признакам, в том числе, известны классификации по назначению и принципу действия см., например, книгу «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» под редакцией акад. Г.И. Листопада, М.: Агропромиздат, 1986 г., стр. 5. Среди известных классификаций по назначению отсутствует понятие «разрушение прочного почвенного слоя». Отсутствуют поэтому и соответствующие устройства, предназначенные для осуществления действия по разрушению прочного почвенного слоя. Поясним суть сказанного.
Известны почвы, содержащие суглинистую или глинистую составляющую, которые в условиях засушливого климата могут образовывать весьма прочную структуру. Обработка таких тяжелых почв и, в первую очередь, их распахивание требует больших затрат энергетических и механических ресурсов. Здравый смысл и практика подсказывает, что предварительное (перед пахотой) разрушение прочной структуры пахотного слоя такой почвы с образованием многочисленных трещин и микротрещин приводит к положительному эффекту, сокращая в целом расход ГСМ и исключая практически отказы механических систем и рабочих органов.
Приведем кратко обоснование возможности организации разрушения структуры почвы и принцип формирования устройства для реализации этой цели. Как известно, см., например, кн. «Физические основы механики почв» И.М. Панов, В.И. Ветохин, Киев, 2008 г. изд. Феникс, почва образует достаточно сложную систему, содержащую кроме плазмы, все остальные формы состояния материи твердую, жидкую и газообразную, имеющие минеральное и органическое происхождение. С точки зрения прочности почва минимальной влажности подобна каменным материалам, то есть это материл хрупкий с прочностью на сжатие многократно превосходящей прочность на другие виды деформированного состояния и, особенно, на растяжение. Известно, что прочность на растяжение более чем на порядок меньше прочности на сжатие см, кн. «Физические основы механики почв», стр. 31. Этот фактор играет определяющую роль в создании рабочего органа, позволяющего организовать разрушение почвы наиболее эффективно. Иначе говоря, для разрушения почвы с затратой минимальной энергии необходимо создать в ней напряжения растяжения. Покажем, что напряжения растяжения в пахотном слое почвы может быть создано.
Обоснуем вначале принципиальную возможность формирования рабочего органа - разрушителя структуры прочной почвы (разрушителя), такого, что при его взаимодействии с почвой, создаются именно напряжения растяжения, заметим при этом, что экспериментальные исследования для уточнения геометрических параметров разрушителя необходимы.
Глубина основной обработки почвы определяется интервалом от 16 до 24 см (см., например, книгу «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» под редакцией акад. Г.И. Листопада, М.: Агропромиздат, 1986 г стр. 9). Возникновение растягивающих напряжений локального характера в почве могут быть организованы различными устройствами, в том числе и жестким недеформируемым снарядом конической формы, перемещающимся горизонтально (параллельно дневной поверхности) в ее толще пахотного слоя в отмеченном интервале глубины. Этот осесимметричный конический снаряд, перемещаясь поступательно вдоль своей оси, раздвигающим почву по периметру, уплотняет ее, образуя цилиндрическое «тоннельное» отверстие в почве. В верхней части этого тоннеля происходит образование свода с двумя результатами: может происходить как уплотнение почвы при большой глубине положения снаряда, так и ее механическое разрушение, если глубина положения снаряда - малая. Варианты зависят от трех факторов: от диаметра основания этого конического снаряда, от глубины его положения в почвы и от физико-механических свойств почвы. Обычно, для оценки достижения состояния предельного равновесия почвы привлекают гипотезу прочности Кулона - Мора (см., кн. «Физические основы механики почв» И.М. Панов, В.И. Ветохин, Киев, 2008 г. изд. Феникс, стр. 69), здесь же предложим более простое объяснение. Происходящий в почве процесс, приводящий к разрушению структуры почвы при движении снаряда конической формы, учете трех перечисленных факторов и интересующем нас результате, определяем для верхней части как процесс устройства свода, работающего при его образовании в противоположном направлении. То есть здесь вместо осевых напряжений сжатия для свода возникают осевые напряжения растяжения, наибольшее значение которых как раз и будет сосредоточено в, так называемом, «ключе» (наивысшей части свода) из-за того, что именно здесь, в этой вертикальной плоскости симметрии, по дневной поверхности и могут быть реализованы наибольшие разрушения почвы. Эти рассуждения для осесимметричного конического снаряда приведены для пояснения механики процесса. Глубиной размещения снаряда выбранного диаметра можно регулировать величину растягивающих напряжений, то есть контролировать процесс образования трещин и степень разрушения структуры почвы на ее поверхности.
Теперь рассмотрим геометрию рабочего органа в горизонтальном положении, способного реализовать этот процесс на практике. Для получения «арочного» эффекта с обратным знаком и сокращения затрат энергии при организации процесса разрушения будет достаточно использовать верхнюю половину конуса, образованную его разделение горизонтальной плоскостью симметрии. В этом случае при перемещении практически исключается уплотнение почвы под плоской подошвой рабочего органа, а геометрия конической половины тоже образует свод с наибольшей величиной напряжений растяжения как раз в вертикальной плоскости симметрии. Принимая средний угол внутреннего трения почвы по стали α=25° (Н.И. Кленин и В.И. Сакун «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины», М.: Колос, 1994 г., стр. 50) можно назначить (в первом приближении) этот угол между осью конуса и его образующей. Радиус основания конуса R примем соизмеримым с наибольшей глубиной основной обработки почвы h ~ 24 см, не более, например, 0,25 h, то есть R ~ 60 мм. Таким образом, вычисляется и предельная длина конической части разрушителя  Жесткая стойка для крепления разрушителя должна быть выполнена с возможностью изменения глубины положения разрушителя, например, так, как это сделано для стойки рыхлительной лапы (см. Н.И. Кленин и В.И. Сакун «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» М.: Колос, 1994 г., рис. 1.38, стр. 64). Удержание разрушителя при работе на заданной глубине достигается одним из известных конструктивных решений, например, установкой опорных колес (см. книгу «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины», раздел «Машины и орудия для обработки почвы», под редакцией акад. Г.И. Листопада, М.: Агропромиздат, 1986 г, рис. 1.3, стр. 15).
Процесс разрушения почвы организуется следующим образом. После проведения предварительного разрушения одним разрушителем, установленным на некоторой глубине, оценивается примерно область распространения трещин и микротрещин в трехмерном пространстве. После чего, при необходимости, меняется глубина положения разрушителя и устанавливается шаг размещения остальных разрушителей.
Образованные в результате обработки трещины и микротрещины способствуют впоследствии более качественной обработке почвы, а при наличии осадков более эффективному проникновению влаги в почву и ее равномерному увлажнению.
Операция по разрушению структуры прочной почвы может быть включена в систему предпахотной обработки.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема разрушителя, вид сбоку.
На фиг. 2 представлена схема разрушителя в плане.
На фиг. 3 представлена схема образования трещин.
На фиг. 4 представлена схема действия нормальных напряжений.
Осуществление изобретения
Разрушитель структуры прочной почвы, включает жесткую стойку 1 и соединенным с ней болтами 2 рабочим элементом 3, выполненным в горизонтальном положении оси в виде стального конуса с отсеченной горизонтальной плоскостью симметрии половиной к низу и пазом для соединения со стойкой 1, причем стойка 1 имеет заостренную фронтальную кромку 4 и снабжена отверстиями 5, позволяющими менять положение рабочего элемента по высоте (Фиг. 1 и Фиг. 2).
Процесс разрушения почвы организуется следующим образом. После проведения предварительного разрушения одним разрушителем, установленным на некоторой глубине, оценивается примерно область распространения трещин и микротрещин в трехмерном пространстве. После чего, при необходимости, меняется глубина положения разрушителя и устанавливается шаг размещения остальных разрушителей.
р
с
Для пояснения процесса разрушения в результате обработки почвы разрушителем, на фиг. 3 представлена схема поперечного сечения разрушителя в почве с радиальными трещинами 6. На фиг. 4 показан характер возникающих при этом напряжений на главных площадках в некоторой точке А: растягивающих σ и сжимающих σ.