О результатах исследований деформирования почвы рабочими органами машин и орудиями технологических комплексов

УДК 631.431

О РЕЗУЛЬТАТАХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОЧВЫ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ МАШИН И ОРУДИЯМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

ДЬЯКОВ В.П.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник ВНИИЗ и ЗПЭ; тел.: 8-908-121-28-42.

Реферат. Обработка почвы - древнейший род деятельности человечества. Используемые при этом орудия труда имеют многовековую историю развития и совершенствования, как отдельных типов рабочих органов, так и технологических почвообрабатывающих комплексов в целом. В то же время научные основы обработки почвы до сих пор полностью не разработаны. Этому способствуют как объективные, так и субъективные причины. Во-первых, почва, как рыхлая горная порода по деформационным свойствам не может быть отнесена ни к одной категории тел, изучаемых в физике. Во-вторых, исследователи рассматривали почву как не деформируемое сплошное тело, в то время как она является деформируемой дисперсной средой и ей присущи реологические свойства: релаксация упругих напряжений и упругое последействие их. На этом основании закономерности (законы движения и равновесия тел), установленные теоретической механикой, и закономерности теории сплошных тел (теория напряжений) для решения задач механики почв являются только необходимыми, но не достаточными. На основании изложенного и влияния результатов исследований механики грунтов возникло два различных представления о разрушении почвы: 1) как о явлении отрыва, обусловленном деформациями удлинения или действием нормальных растягивающих напряжений, и 2) как о явлении сдвига, обусловленном действием касательных напряжений. Из этих представлений следовало, что каждый тип почвы под действием рабочих органов технологического комплекса может обладать одним каким-либо видом сопротивления разрушению - или сопротивлением отрыву, или сопротивлением сдвигу. Теоретический эксперимент с двугранным клином, проведенный на основе теории напряжений при матричном описании напряженного состояния, позволил разработать систему уравнений равновесия нормальных и касательных сил, действующих на заданную точку образца почвы. Анализ полученной системы уравнений показывает, что почва в зависимости от того, в какие условия она будет поставлена, может разрушаться как путем отрыва, так и путем сдвига и может проявлять как тот, так и другой вид сопротивления разрушению. Анализ численных значений касательных и нормальных напряжений, действующих на точку, позволил обосновать реальную принципиальную особенность клина при разрушении материала по отношению к другим геометрическим формам рабочих органов. Кроме того, изменением угла крошения (резания) клина достигается изменение скорости деформирования материала (почвы).

Ключевые слова: обработка почвы, технологические комплексы, деформирование почвы, исследовательские аспекты.

ON THE RESULTS OF THE STUDY OF THE DEVELOPMENT OF THE SOIL BY MACHINE WORKING BODIES AND THE MACHINERY OF TECHNOLOGICAL COMPLEXES

DYAKOV V.P.,

candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Leading Researcher «All-Russia Research Instiute of Arable Farming and Soil Erosion Control»; tel.: 8-908-121-28-42.

Essay. Tillage - an ancient occupation of mankind. Used with the tools have a long history of development and perfection as certain types of workers and tillers of technological systems in general. At the same time, the scientific basis of soil cultivation is still not fully developed. This is facilitated by both objective and subjective reasons. First, the soil is loose rocks on the deformation properties can not be attributed to any category of bodies studied in physics. Second, the researchers looked at the soil as a non-deformable solid body, while it is deformable dispersion medium, and displays rheo-logical properties: the relaxation of elastic stresses and springback them. On this basis, the laws (laws of motion and equilibrium of bodies) established theoretical mechanics and the laws of the theory of solid bodies (the theory of stress) to solve problems of soil mechanics are only necessary but not sufficient. Based on the above and the impact of the results of studies of soil mechanics arose two different views about the destruction of the soil: 1) as a phenomenon of separation due to the deformation or elongation of the normal action of the tensile stress, and 2) as a phenomenon shifts caused by the action of shear stresses. From these submissions indicated that each type of soil under the influence of the working bodies of the technological complex can have one any kind of fracture resistance - resistance or separation or shear strength.The theoretical experiment with a dihedral wedge conducted on the basis of the theory of stress in the matrix describing the state of stress, allowed to develop a system of equilibrium equations of normal and tangential forces acting on a given point of a soil sample. Analysis of the resulting system of equations shows that the soil depending on the conditions in which it will be delivered, can be destroyed either by separation and by shear, and may be like the one and the other kind of fracture resistance. The numerical values of shear and normal stresses acting on the point, can justify a real fundamental feature of the wedge in the destruction of the material in relation to other geometric forms working bodies. In addition, changing the angle of chopping (cutting) of the wedge is achieved by changing the speed of deformation of the material (soil).

Key words: soil cultivation, technological complexes, soil deformation, research aspects.

Введение. Земледелие в целом и неразрывно связанная с ним подготовка почвы под посев, и возделывание культурных растений имеют многовековую историю развития и совершенствования. Поэтому механическая обработка (другой человечество еще не придумало) почвы -весьма распространенный и в значительной мере определяющий состояние плодородного слоя земной поверхности вид человеческой деятельности. Несмотря на это, теоретические основы ее даже на уровне макропроцесса («черного ящика») до сих пор полностью не разработаны [1].

Решение актуальной задачи по постановке теории разрушения почвы и теории клина, которые лежат в основе проектирования почвообрабатывающих орудий [2], естественно требует глубоких знаний физико-химических свойств почвы и механических процессов взаимодействия с ней рабочих органов и ходовых систем технологических комплексов. Практика показывает, что такие исследования служат теоретической базой не только для создания новых, менее энергоемких почвообрабатывающих машин, но и для совершенствования процессов обработки почвы, снижающих ее деградацию.

Цель наших исследований - попытаться определить основные упущения в теоретических исследованиях деформирования почвы и разрешить противоречие, возникшее при рассмотрении явления разрушения механической структуры почвы на основе теории напряжений.

Результаты исследования. Анализ результатов исследований механических процессов взаимодействия сельскохозяйственной техники и почвы, показывает, что отсутствие в механике почв теоретических основ ее обработки сопряжено, в первую очередь, с поверхностным изучением физико-механических свойств почвы и шаблонным использованием наработок из общей техники и механики грунтов.

Во-вторых, проведенные исследования не учитывали, что почва - это производное рыхлых горных пород, и она не может быть отнесена ни к одной категории тел, изучаемых в физике. Почва - дисперсное, дискретное тело и поэтому является деформируемой средой. В этой связи, законы и закономерности теоретической механики, рассматривающей движение и равновесие твердых недефор-мируемых тел, несмотря на их значимость в общей технике, для применения в исследованиях механики почвы требуют особого подхода.

Третье и, наверное, самое главное, деформационные процессы в почве изучали по аналогии со сплошными телами методом наблюдения взаимосвязей между независимыми и зависимыми переменными, то есть по методике «черного ящика». Почва же это трехкомпонентная система с раздробленной твердой фазой и ее свойства непосредственно связаны со свойствами ее составляющих. В этой связи крайне необходимы сведения о взаимодействии частиц почвы, как дисперсной среды, между собой и с поровой средой.

Раздробленность почвы означает, что она, как и грунт, принадлежит не сплошным телам, а к телам, состоящим из отдельных твердых частиц, не связанных между собой или связанных так, что прочность связей между ними во много раз меньше прочности материала самих частиц. Следовательно, появившаяся позднее теоретической механики, в историческом развитии наук, строительная механика (теория упругости, теория вязкости и теория пластичности), изучающая сплошные деформируемые тела, также не может полностью характеризовать поведение почвы и грунтов под внешней нагрузкой.

Таким образом, законы и закономерности теоретической механики твердых недеформируемых тел и механики сплошных деформируемых тел для решения задач механики почв могут быть только необходимыми, но не достаточными, что и показала практика теоретических исследований системы - теория разрушения почвы и теория клина. Кроме того, теория напряжений, разработанная для сплошных твердых тел, в применении к дискретным телам имеет свои особенности. Они заключаются в том, что в почве и грунтах нормальные деформирующие напряжения передаются на твердые частицы не сразу, а требуют для своего полного развития определенного времени.

В этой связи к дополнительным закономерностям, способствующим решению задач механики почв и механики грунтов, следует отнести реологические свойства дисперсных тел: упругое последействие и релаксацию упругих напряжений. Проявление в процессе деформирования релаксации и запаздывания развития упругой деформации оказывает большое влияние на поведение почвы под внешней нагрузкой, действующей с постоянной скоростью.

Несмотря на определенные различия (наличие или отсутствие различного рода организмов) гранулометрический состав почв и грунтов в первом приближении можно считать однотипным. На этом основании при равных прочих условиях подобны, в общем, и деформации. Однако в частном смысле задачи, решаемые механикой грунтов, подчас бывают диаметрально противоположны задачам, решаемым механикой почв. Так, если исследования механики грунтов направлены на созидание - нахождение путей безопасной работы грунтов в основании сооружений, то в механике почв - на разрушение механической ее структуры. Поэтому в механике почв изучаются как деформационные свойства, так и прочностные свойства среды, тогда как в механике грунтов только деформационные. Прочностные свойства почвы, характеризующие поведение тела под нагрузкой, равной или превышающей критическую нагрузку, определяются только при ее разрушении. Работа же грунта в стадии разрушения имеет интерес только в исследовательских целях.

Не привлекло особого внимания ученых и противоречие, свидетельствующее о двух возможных видах разрушения почв и грунтов. Заключается оно в следующем.

В механике грунтов со дня ее становления как науки разрушение грунтов сдвигом считается единственным видом разрушения их под сооружениями, исследование которого необходимо для решения разнообразных инженерных задач [3]. В то же время, в 30-е годы прошлого столетия у ряда авторов (В.П. Горячкин [2], у О.С. Осман [4] и др. сложилось мнение, что основной вид разрушения почвы под воздействием клина, что также является сдвигом. Речи о разрушении почвы в виде отрыва, как в механике грунтов, так и в механике почв в то время не было вообще.

Однако более поздние работы [5] показали, что все суглинистые и глинистые почвы, которые относятся к категории связных и составляют абсолютное большинство используемых в сельском хозяйстве почв, деформируются под воздействием клина путем отрыва, а не сдвига. Более того, при угле резания в = 10о (рисунок 1) в их опытах отрывом деформировался и влажный песок, для которого типичный вид деформации клином при угле резания в = 20-60° - сдвиг. При этом вид деформирования почвы выражался в образовании пласта, имеющего форму сплошной ленты.

Изложенное противоречие в деформировании почвы до сих пор остается без объяснения. Причиной этому по-

служило, на наш взгляд, разночтение известных ученых в области механики почв. Так, основоположник земледельческой механики В.П. Горячкин [2] характеризовал работу клина следующим образом: «Клин действует на обрабатываемый материал очень разнообразно, но сущность его работы заключается не в разрезании лезвием, как обычно принято думать, а в сжимании частиц ..., которое простирается на более или менее значительное протяжение, после чего образуется трещина по горизонтальному направлению ., или вниз». То есть видно полное отрицание работы лезвия клина: работает только передняя (рабочая) грань. Деформирование почвы обусловливается в таком случае действием касательных напряжений, а отделение пласта от массива почвы происходит по поверхности напряжений разрушения сдвигом.

Несколько лет спустя Г.Н. Синеоков [5] - ученик и последователь В.П. Горячкина представлял процесс взаимодействия клина с почвой в несколько ином виде: «при внедрении в почву лезвия клина . впереди него возникает трещина, которая по мере продвижения клина удлиняется и, все более искривляясь, достигает поверхности поля. ». Согласно такому подходу в процессе взаимодействия клина и почвы основную работу совершает лезвие клина, а рабочая грань выполняет вспомогательную функцию подвижной опоры отделяемого пласта. Деформирование почвы в целом обусловливается действием нормальных напряжений: отделение пласта от массива почвы осуществляется по поверхности напряжений разрушения отрывом.

Разрешить противоречие и ответить на вопрос, почему возможны два вида разрушения одной и той же почвы возможно путем постановки эксперимента. Причем его задачу необходимо формулировать так: найти вид и значение деформирующих напряжений (вид напряженного состояния) в любой точке деформируемого образца почвы, расположенной на поверхности разрушения. Опытное решение такой задачи представляет большие трудности, а ее теоретическое решение в общем виде возможно с помощью теории напряжений: при матричном описании напряженного состояния в заданной точке деформируемого образца почвы.

В процессе теоретического эксперимента мы исходили из того, что удельные давления вдоль поверхности рабочего органа почвообрабатывающего орудия (клина) вызывают в почве определенного значения напряжения сжатия, так как нагрузка от рабочего органа передается на почву давлением. Поскольку контактная (рабочая) поверхность установлена к направлению движения клина (к горизонту) под некоторым углом в, величина которого, как правило, меньше 90о, то каждая отдельная твердая частица почвы испытывает со стороны клина сложное напряженное состояние, обусловленное силой N нормального давления гладкой рабочей грани клина на почву (рисунок 1).

Рисунок 1 - Направления действий главных напряжений N3(01) и N^03) на почву со стороны клина

Нормальное давление Т^шв рабочей грани клина на почву - составляющая движущей клин силы Т. В свою очередь давление N разлагается на горизонтальную № и вертикальную № составляющие. Напряжения от силы N вдоль поверхности клина вызывают напряжения в почве, так как нагрузка от поверхности контакта клина с почвой распространяется вглубь. Если допустить, что рассматриваемый образец почвы не имеет пустот и его масса равномерно распределена по всему объему, то напряжение в точке С будет соответствовать напряженному состоянию любой точки всего образца.

Для решения поставленной задачи требуется вычислить величины нормальных о и касательных т напряжений в точке С на плоскости под углом а к горизонту при различных значениях угла клина в. Для этого силу №, как растягивающую, примем за главное напряжение о1, вторую составляющую № - за главное напряжение о3. Боковая составляющая сила о2 = 0, поскольку принимаем, что клин воздействует на почву с возможностью бокового расширения. Угол а в расчетах принимал значения от 15 до 45о при изменении угла в клина от 0 до 70о. Величина главных напряжений о1 и о3 определялась в зависимости от угла в наклона рабочей грани клина ко дну борозды.

После составления известным способом системы уравнений равновесия сил, действующих на почву в точке С в плоскости разрушения под углом а к горизонту, и ее решения относительно нормального напряжения о и касательного напряжения т, получена система уравнений:

о = о1 СоБ2а - о38ш2 а

т =

Уравнения (1) и (2) характеризуют напряженное состояние в деформируемом образце почвы в плоскости, наклоненной к горизонтали под некоторым углом а. Из них видно, что величины нормальных и касательных напряжений зависят от значений главных напряжений о1 и о3 по любой площадке и от угла а наклона конкретной площадки разрушения. При этом согласно формуле (1) явно просматривается возможность разрушения почвы отрывом, что дает право считать это уравнение, описывающим предел прочности почвы на отрыв при плоском напряженном состоянии. Правомерность такого заключения подтверждают масштабные исследования Г.Н. Синеокова [5] у нас в стране и исследования [6] за рубежом.

Вместе с тем такое заключение противоречит, как было отмечено ранее, сложившемуся мнению в механике грунтов о разрушении грунтов только сдвигом, а не отрывом.

Кроме того, аналогичные выводы о разрушении почвы только сдвигом встречаются и в практике земледелия. Так, из уравнения (2) следует, что при определенных величинах главных напряжений о1 и о3, которые обусловлены параметрами угла в клина, разрушение почвы сдвигом от предельных касательных т напряжений не исключается. Кроме того, нельзя сбрасывать со счетов и угол наклона площадки разрушения.

Поэтому условия, при которых под действием клинообразных рабочих органов глинистые, суглинистые и песчаные почвы разрушаются не только сдвигом, но и отрывом имеют определенный научный и практический интерес.

Для разрешения противоречия проанализируем напряженно-деформированное состояние на поверхности разрушения почвы. Для этого найдем значения деформирующих напряжений с и т в зависимости от общего сопротивления почвы клину - движущей клин силы Т.

Представим, что фигура АСД (рисунок 1) есть силовой треугольник в процессе взаимодействия двугранного клина и почвы. Тогда катет АД в масштабе будет отражать движущую клин силу Т, а отрезок АС -нормаль к гипотенузе ВД - величину нормального давления N клина на почву в точке С. Из их соотношения найдем, что

N = Т- Sin ß.

Уравнение (3) явно противоположно зависимости

N = Т/Sin ß, (3а),

сформулированной В.П. Горячкиным [2] при анализе процесса резания ножом косилки. Несмотря на это уравнение (3а) масштабно тиражируется при характеристике процесса взаимодействия клина и почвы в специальной литературе и учебниках [7], как у нас в стране, так и в ближнем зарубежье. Не исключено, что на зависимость (3а) ссылаются в механике почв и в дальнем зарубежье, поскольку В.П. Горячкин - основоположник земледельческой механики.

Уравнение (3) - ключевая зависимость в энергетической оценке процесса взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих технологических комплексов и почвы. Однако допущенная ошибка не была замечена исследователями механики почв. Более того, на неверном физическом смысле использования клина в конструкции рабочих органов ему приписана фантастическая принципиальная особенность «... , основанная на том, что прилагая небольшую движущую силу Т, можно развить большую нормальную силу давления на пласт, приводящую к смятию и скалыванию его элементов» [7]. Расчеты по зависимости (3 а) показывают, что при угле клина, равном 15о, нормальное давление превышает движущую клин силу Т в 4 раза. Нетрудно представить, во сколько раз нормальное давление N превысит движущую силу Т при угле клина, равном 5о - в 12,5 раз!.

1 5 - С1=45" „ " У" - а=зо°

4 3 У /У уГ / //Cr. // X / X / X V — -а=20°] _а=15"

2 1 А а=15"

гуу ча=зо *а=2о"

0 ДХ=45°

10 20 30 40 50 60 70 ß"

Рисунок 2 - Изменение в почве нормальных с(- ) и касательных т(--) напряжений в плоскостях, наклоненных, под углом а к горизонтали, в зависимости от угла в клина

Анализ расчетных величин деформирующих напряжений с и т (рисунок 2), вычисленных по уравнениям (1) и (2) в долях от силы Т и угла в и действующих в гипотетических (возможных) плоскостях разрушения в зависимости от угла а наклона их к дну борозды показывает, что характер напряженного поля в образце почвы обусловливает возможность разрушения ее как отрывом, так и сдвигом: при значениях угла в до 40-45° оно вероятнее будет происходить отрывом, при в > 45о - сдвигом. В первом случае основную работу по отделению пласта от массива осуществляет лезвие, а рабочая грань выполняет функцию опоры и подъема пласта. Во втором - в основном работает передняя грань клина, а лезвие работает совместно с гранью и дополнительно выполняет граничную функцию с массивом почвы. Здесь нельзя не отметить влияние свойств почвы, поскольку в зависимости от влажности (типа и характера структурных связей) она бывает в текучем, пластичном и твердом состоянии, что приводит к изменению сопротивления почвы нормальным и касательным напряжениям.

Более глубокий анализ образования и развития того или иного вида напряженного состояния в почве во взаимосвязи угла клина с фактом ее физического состояния отнесем к специальной теме исследований. Здесь же необходимо отметить, что функция единовременного преднамеренного создания в любой точке почвенного образца полей напряжений разрушения отрывом и сдвигом, то есть создание сложного напряженного состояния, - это главная принципиальная особенность клина. Такое обстоятельство весьма полезно при обработке почвы и вредно при эксплуатации грунтов в качестве основы сооружения.

К следующей особенности клина по отношению к другим геометрическим формам рабочих органов необходимо отнести возможность регулирования скорости деформирования Уд относительно его поступательной скорости Ук:

Уд = УДпв,

поскольку уменьшение скорости деформирования положительно сказывается на изменении сопротивления почвы деформации.

Для описания деформирования почвы на уровне макропроцесса («черного ящика») в механике почв, как и в механике грунтов, используют вязкоупругие модели Кельвина-Фойгта и Максвелла путем составления дифференциальных уравнений. Несмотря на то, что обе модели приемлемы для использования, как в механике грунтов, так и в механике почв, главные деформационные факторы по принципу работа почв и грунтов различны. Если для условий работы грунтов это время, то для условий работы почв - скорость. Таким образом, метод разработки теории деформирования тела путем составления дифференциальных уравнений, результат интегрирования которых представляет временные (зависящие от времени) функции, для механики почв явно не приемлем. Аналогичный вывод можно сделать и о нелинейных интегральных уравнениях Ю.Н. Работнова, предлагаемых РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева для моделирования закономерностей деформации почв во

времени при сжатии и сдвиге почв в достаточно широких интервалах плотности и влажности. Следовательно, необходима разработка нового приема решения дифференциальных уравнений или новая методика составления дифференциального или иной формы исходного уравнения, исходя из ее реологической модели [8].

Дополнительную информацию, способствующую лучшему пониманию вопросов, затронутых в статье, можно получить в источнике [9].

Выводы. Суммируя изложенные выше представления, можно прийти к следующему заключению:

- почва, как и другие материалы, в зависимости от того в какие деформационные условия она будет поставлена, может разрушаться, как путем отрыва, так и путем

сдвига и поэтому может обладать, как тем, так и другим видом сопротивления деформированию и разрушению;

- разработку математической зависимости, моделирующей закономерности деформации почв при сжатии и сдвиге, следует вести в зависимости от величины или скорости деформирования, а не от времени;

- устранение отмеченных ошибок и допущений, безусловно, приблизит исследователей к разрушению «камня преткновения» [2] в теоретических исследованиях процесса деформирования почвы, что весьма необходимо не только для создания машин и орудий технологического комплекса нового поколения, но и для совершенствования процессов обработки почвы с целью ее сбережения.

Список использованных источников

1. Koolen A.J., Kuipers H. Agricultural soil mechanics. Springer, 1983. 350 c.

2. Горячкин В.П. Собрание сочинений. - М.: Колос, 1968. - Т.1. - 720 с.

3. Цытович Н.А. Механика грунтов. - М.: Строй. издат, 1963. - 636 с.

4. Osman V.S. The mechanics of soil cutting blades // J Agric Eng. 1964. Res: 313-328.

5. Синеоков Г.Н., Панов И.М Теория и расчет почвообрабатывающих машин. - М.: Машиностроение, 1977. - С. 5152.

6. Selig E.T., Nelson R.D. Observations of soil cutting with blades // J. Terramech. - 1964. - № 1(3). - C. 32-53.

7. Кленин Н.И., Сакун В.А. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. - М.: Колос,1980. - 671 с.

8. Дьяков В.П. Зависимость сопротивления почвы от скорости сжатия // Техника в сельском хозяйстве. - 2011. - № 2. - С. 9-11.

9. Дьяков В.П. О почве, как материале воздействия рабочих органов технологических комплексов // Земледелие. -2014. - № 8. - С. 13-15.

List of sources used

1. Koolen A.J., Kuipers H. Agricultural soil mechanics. Springer, 1983. 350 c.

2. Goryachkin V..P. Collected works. - M .: Kolos, 1968. - T.1. - 720 sec.

3. TsytovichN.A. Soil mechanics. - M .: Story. Ed., 1963. - 636 p.

4. Osman V.S. The mechanics of soil cutting blades // J Agric Eng. 1964. Res: 313-328.

5. Sineokov G.N., Panov I.M. Theory and calculation of soil-cultivating machines. - M .: Mechanical Engineering, 1977. - P. 51-52.

6. Selig E.T., Nelson R.D. Observations of soil cutting with blades // J. Terramech. - 1964. - No. 1 (3). - P. 32-53.

7. Klenin NI, Sakun VA Agricultural and meliorative machines. - Moscow: Kolos, 1980. - 671 p.

8. Dyakov V.P. Dependence of soil resistance on the rate of compression / / Engineering in agriculture. - 2011. - No. 2. - P. 911.

9. Dyakov V.P. On the soil as a material of the impact of the working organs of technological complexes, in Zemledelie. -2014. - No. 8. - P. 13-15.