уменьшение уплотнения почвы колёсамимашинно

УДК 631. 3; 631. 95
Кузьмин М.В., д.т.н., профессор
УМЕНЬШЕНИЕ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВЫ КОЛЁСАМИ
МАШИННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ ПРИМЕНЕНИЕМ
СПЕЦИАЛЬНЫХ ШИН
Предлагается общая стратегия экологизации производственной
деятельности и основные этапы её реализации. Применительно к
сельскохозяйственному производству предлагаются методы уменьшения
уплотнения почвы ходовыми системами с.-х. техники применением
арочных шин, разработкой и использованием тонкостенной шины
высокого давления. Предлагается структура ГОТ для экологического
прогнозирования.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ЭКОЛОГИЗАЦИЯ, СТРАТЕГИЯ, ТАКТИКА,
ПОЧВА,
УПЛОТНЕНИЕ,
РАЗУПЛОТНЕНИЕ,
ШИНА,
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ.
Интенсификация и химизация сельскохозяйственного производства
получили широкое распространение в связи с тем, что позволяют
значительно повысить продуктивность производства, уменьшить
зависимость его от плодородия почвы, погодных условий, но
одновременно с этим вредное воздействие на окружающую среду возросло
весьма значительно, в отдельных случаях многократно. Это ведёт к
необходимости экологизации с.-х. производства в очень крупных
(глобальных) масштабах.
Все известные методы экологизации (не только с.-х. производства)
направлены на уменьшение вредных воздействий на природу. При
ограниченности всех ресурсов земли: литосферы, гидросферы и
атмосферы, - такой метод экологизации не может привести к улучшению и
даже к сохранению экологической безопасности ноосферы нашей
планеты. В связи с этим необходимо выработать общую стратегию
экологизации, а также тактики применительно ко всему спектру
цивилизационной деятельности человечества.
Методологической основой разработки как стратегии, так и тактик
этой деятельности является системный подход к решению экологических
проблем,
к
экологизации
общественного
сознания,
научноисследовательской, технологической, экономической и социальнополитической деятельности с юридическим оформлением новых правил
1
жизнедеятельности.
Стратегия экологизации должна заключаться в переходе к
использованию экологически нейтральных и затем экологически полезных
технологий, технических систем и всех методов цивилизационной
деятельности человечества. Её осуществление должно проводиться в трёх
направлениях (в значительной степени распределённых во времени в
указанном далее порядке):
1) разработка и использование технологий и технических систем,
уменьшающих вредные воздействия на окружающую среду;
2) разработка и использование экологически нейтральных
технологий и технических систем;
3) разработка и использование экологически полезных технологий и
технических систем.
Следует отметить, что в настоящее время мы находимся на первом
этапе реализации этой стратегии, реализации непоследовательной и более
медленной, чем увеличение вредных воздействий на природу.
Сельскохозяйственные предприятия являются сложными биотехно
социальными системами (БТС системами), состоящими из биологической,
технической и социальной подсистем. Особенностью БТС системы
является то, что её подсистемы в структуре существующих предприятий
функционируют совместно. Тем не менее, каждая из подсистем имеет
специфические закономерности и характеризуется специфическими
воздействиями на окружающую среду, включая и вредные воздействия
(ВВ).
В биологической подсистеме (растения, животные и др.) вредное
воздействие на природу оказывают элементы самой системы, а также
вещества и воздействия антропогенного характера, не свойственные
данной системе, но используемые для повышения эффективности её
функционирования.
В технической подсистеме вредные воздействия имеют только
антропогенный характер, поскольку сама ТП создана людьми. Эта
подсистема оказывает вредные воздействия на литосферу, в частности на
почву, гидросферу и атмосферу. Вредные воздействия на почву включают:
воздействие на почву при обработке, уплотнение почвы ходовыми
системами с.-х. техники, вынос почвы за пределы поля ходовыми
системами транспортных, технологических агрегатов, а также как примесь
с сельскохозяйственной продукцией.
Уменьшение вредных воздействий при работе с.-х. техники (в
технической подсистеме с.-х. предприятий) достигается изменением
технологий
производства
с.-х.
продукции,
совершенствованием
сельскохозяйственной техники, улучшением её использования и
2
технического сервиса.
В связи с тем, что мы занимались изучением уплотнения почвы
ходовыми
системами
с.-х.
техники,
вопросы
экологизации
сельскохозяйственного производства в данной статье будут рассмотрены
применительно к этому процессу.
В результате проходов МТА по полю при возделывании
сельскохозяйственных культур почва значительно уплотняется. Данные по
величине уплотнения почвы в настоящее время стали общеизвестными,
поэтому они приведены без ссылок на литературные источники.
Подсчитано, что площадь, на которую многократно действуют ходовые
системы МТА и транспортных агрегатов составляет от 100 до 200 %
обрабатываемого поля. При этом различные части поля уплотняются
неодинаково: 10...20% площади поля (поворотные полосы и др.)
уплотняются весьма значительно, не уплотняются гусеницами и колесами
только 10... 15 % поверхности поля. По данным почвоведов допустимое
давление на почву должно составлять не более: при ранневесеннем
бороновании 0,04 мПа, при предпосевной обработке, посеве (посадке) и
прикатывании 0,06 мПа, при выполнении уходов за посевами и уборке
урожая - 0,15 мПа. Давление же ходовых систем существующих машин
больше этих величин. Оно равняется у колесных тракторов 0,09...0,17
мПа, у гусеничных 0,06...0,08 мПа, у зерновых сеялок примерно 0,12...0,2
мПа, у зерноуборочных комбайнов 0,18...0,24 мПа, у прицепов 0,3...0,4
мПа 16 1. Например, для условий Московской области установлено, что
урожай озимой пшеницы по следу МТА составил 8,1 ц/га, а на не
уплотненной почве 22,2 ц/га, масса сорняков по следу МТА была равна 33
ц/га, а на неуплотненной почве составила 11,7 ц/га.
Общими для трактора и с.-х. машин являются закономерности
взаимодействия их ходовых систем, в частности колес, с почвой
Применительно к колесным
ходам
приходится
решать две
взаимоувязанные задачи: уменьшение сопротивления их движению,
уменьшение вредного воздействия на почву (уплотнения почвы). При
этом основополагающее значение имеют прочностные свойства почвы. В
последнее время для характеристики прочностных свойств почвы
используют реологические модели А. С. Кушнарёвым и другими. Для
практического использования нами предлагается простая реологическая
модель ‒ тело Максвелла, состоящее из упругого (пружина) и вязкого
(гидроцилиндр) элементов, соединенных последовательно. Упругий
элемент имеет коэффициент упругости К, вязкий элемент-коэффициент
вязкости h. При воздействии на почву колес и других рабочих органов
определить относительную деформацию затруднительно. Это вынуждает
перейти в реологических уравнениях к абсолютной деформации - глубине
3
погружения деформатора h. При моделировании почвы телом Максвелла
элементарная деформация почвы dh состоит из упругой dh и вязкой dhb, то
есть
dh=dhy+dhb…
(1)
При упругой деформации Р = Кhy;dР/dt=Kdhy / dt, где Р- давление на
штамп, К - коэффициент пропорциональности, t - время. Размерность К
будет F / L3(сила / длина3), и К может рассматриваться как коэффициент
объемной упругости, по смыслу тожественный коэффициенту объемного
смятия почвы в трактовке акад. В.А. Желиговского.
При вязкой деформации Р = hdhb/ dt,где h - коэффициент вязкости. С
учетом этого уравнение (1) принимает вид:
dh
1 dP
1
=
+
P
dt
k dt
h
P+
h dP
dh
=h
K dt
dt
или
.
(2)
Решение уравнения (2) дает соотношение между давлением на штамп
и глубиной его погружения при различных случаях нагружения почвы.
При постоянной скорости деформации dh/dt=h/t = u =const.
Отсюда общее решение уравнения (2) имеет вид
P = hu + e
-
kt
h
C
,
при t=0 p=0 иC=‒h u . Следовательно,
-
kt
h
P = hU (1 - e )
(3)
В случае t®0 , Р®hU. При достижении Р значения hU почва будет
вести себя как пластичное тело. Давление, которое соответствует переходу
почвы в пластическое состояние Ps называется несущей способностью.
Тогда
Ps =hu, h=ut
и окончательно имеем:
Kh
æ
ö
P = Psçç1 - e Ps ÷÷
è
ø
(4)
Выведенная формула (4) может описывать весь процесс вдавливания
штампа в почву, состоящий из двух характерных участков. Первый
участок – быстрое возрастание давления на штамп, второй - медленное,
асимптотическое приближение Р к PS.Наличие в почве вязкого элемента
даёт основание считать почву с позиций реологии жидкостью с большой
вязкостью. Это позволяет считать, что при воздействии более широкого
деформатора по следу узкого (колёс прицепа или с. – х. машин по колее
колёс трактора) эта колея будет заравниваться, а твёрдость почвы в ней –
уменьшаться (то есть будет иметь место разуплотнение колеи колёс
трактора). Результаты наших полевых опытов МТА, состоящего из
4
трактора класса 0,9 и полуприцепа, показали, что арочные шины при
внутреннем давлении воздуха в них Pвн≤ 0,1 МПа разуплотняют колею
колёс трактора на всю измеренную глубину. При Pвн= 0,05 МПа арочные
шины разуплотняют почву по сравнению с первоначальным состоянием с
глубины в 3 см.
К тому же было установлено, что арочные шины при движении по
рыхлой почве имеют меньший коэффициент сопротивления движению f,
чем обычные, а при движении по стерне практически одинаковый с
обычными, что видно из таблицы. Эти данные опровергают устоявшееся
мнение, что арочные шины имеют большее сопротивление движению на
твёрдой поверхности. Основной причиной их недостаточно широкого
применения является значительно больший, чем у обычных шин, осевой
момент инерции, что ведёт к перегрузкам, особенно ведущих полуосей.
Таблица
Показатели работы арочных и обычных шин
Наименование
Стерня
озимой Поле
после Поле
после
показателей
ржи
уборки картофеля уборки кукурузы
Средняя
плотность
почвы кг/см3, (средняя
влажность,
%)
на
глубине 0-5 см
12,4 (15,2)
5,0 (23,5)
2 (24)
То же на глубине
16,6 (16,2)
7,8 (25,8)
5,06 (30)
5-10 см
То же на глубине
16,06 (16,3)
8,5 (24,1)
5,3 (28,2)
10-15 см
Шины
д
ар
д
ар
д
ар
Р*вн нормальное
0,2
0,15
0,2
0,15
0,2
0,15
Р*вн,, соответствующее
f мин.
0,2
0,15
0,15
0,10
0,10
0,075
f при Рвн норм.
0,05
0,049
0,2
0,17
0,325
0,255
f мин.
0,048 0,049
0,19
0,16
0,27
0,21
f мин./f норм.
1
1
0,95
0,94
0,83
0,82
**
f мин.ар**/ f мин.д
1,02
0,84
0,78
f норм.ар/ f норм.д
0,98
0,85
0,78
f мин.ар/ f норм. д
0,98
0,8
0,65
*Рвн - внутреннее давление воздуха в шинах, МПа;
** ар – арочные шины 1140x700, д – шины Дэнлоп 10x20”.
Преимущества арочных шин в эксплуатационном и экологическом
разрезе наиболее полно выявляются при движении по рыхлой почве по
колее колёс трактора, то есть их наиболее выгодно использовать на с. – х.
машинах (картофеле- и корнеуборочных комбайнах), а также на
5
тракторных прицепах, а они используются на самоходных машинах, что не
позволяет использовать все их возможности. Для уменьшения
сопротивления движению арочной шины по твёрдой поверхности можно
её центральную часть выполнить в виде кольцевого выступа.
Для уменьшения уплотнения почвы необходимо расширять как
применение специальных шин и гусениц, так и их исследования.
Известно, что основная доля нагрузки на пневматические шины
воспринимается воздухом, находящимся внутри неё; остальная нагрузка –
материалом самой шины. Чем больше количество воздуха в шине и его
давление, тем большая нагрузка им воспринимается, тем меньше
гистерезисные потери в шине и, соответственно, меньше (при прочих
равных условиях) сопротивление перекатыванию этой шины. Однако
шины высокого давления при их современном конструкторском
оформлении плохо взаимодействует с мягким (сминаемым, пластичным)
грунтом (рыхлой почвой), так как их принцип взаимодействия с ним
эквивалентен взаимодействию с деформируемым грунтом жесткого
колеса. Поэтому для повышения проходимости пневматических шин и для
уменьшения сопротивления перекатыванию их при работе на мягком
грунте (с образованием колеи) стремятся снизить давление в шине.
Благодаря этому шина становится более эластичной, увеличивается ее
радиальная деформация, а также площадь контакта с почвой; как следствие
получается менее глубокая колея, шина лучше копирует микрорельеф поля
и т.д. При этом возникает перераспределение нагрузок между воздухом,
заключенным в шине и материалом шины: чем больше нагружается
материал шины, тем больше гистерезисные потери. Во многих случаях
возможность достижения требуемой эластичности путем снижения
давления воздуха в шине ограничивается: (а) увеличением радиальной
деформации шины выше допустимого предела, в результате чего быстро
происходит разрушение шины, (б) увеличением гистерезисных потерь.
С учётом этого на основе использования рационализированных нами
эвристических
методов
порождения
нового
[1]
разработана
пневматическая шина, которая уменьшает сопротивление движению и
вредное воздействие на почву (уплотнение почвы). Это достигается тем,
что повышенная жёсткость шин высокого давления устраняется
облегчением массивных элементов (боковин, бреккерного слоя и частично
протектора) за счет применения более прочных и эластичных материалов
(высококачественных резин и др.). Увеличения нагрузки, воспринимаемой
воздухом, находящимся внутри неё, предлагается увеличить внутреннее
давление воздуха в ней. Таким образом, предлагается тонкостенная шина
высокого давления. Такие шины могут иметь камеру или выполнятся
бескамерными, но в последнем случае потребуется более высокий уровень
6
ее изготовления, чтобы избежать утечки воздуха и снижения внутреннего
давления в ней. Схема такой шины представлена на рис.1. Она содержит
камеру 1, край боковины 2 с выемкой для расположения крепежного
элемента, эластичной тонкостенной боковины 3, протектора 4, крепежного
элемента 5. Необходимость в креплении, например стяжным кольцом 5 с
винтовым (или другим) механизмом стягивания кольца, будет при
расположении края боковины шины снаружи обода колеса.
Рис. 1. Схема тонкостенной шины высокого давления: а) с
эластичными боковинами. б) с расположенными внутри боковин
пружинными металлическими вставками (лепестками).
При расположении края боковины шины внутри обода (как у
обычных шин) можно будет обойтись и без элемента 5. Возможны другие
способы крепления шины и ободу, например кольцами, как у арочных
шин. Давление в камере 1 должно быть таким, чтобы в условиях
наибольшего нагружения (наибольшей деформации) материал боковины 3
работал на растяжение. Это при тонкостенном выполнении шины
возможно созданием в ней высокого внутреннего давления. Величина
давления должна быть уточнена экспериментально. Более массивный
протектор 4 необходим, в основном для предотвращения повреждений
шины (камеры 1). С целью уменьшения толщины и массы протектора
внутри него может быть расположено тонкое кольцо по всей ширине
протектора из пружинной стали. Для повышения продольной
устойчивости шины и предотвращения поперечных колебаний обода
относительно шины в ее боковины могут быть вмонтированы кольцевые
7
пластины или тонкие лепестки 6 из пружиной стали (рис.1, б),
смыкающиеся у внутреннего края боковины 2 в кольцо.
При этом часть нагрузки на шину будет восприниматься
пружинными кольцевыми пластинами или лепестками 6. Так как сталь
имеет гораздо меньшие потери на гистерезис, то потери на деформацию
шины будут меньше, больше нагрузки будет восприниматься боковинами
шины. Это даст возможность уменьшить внутренне давление в шине.
Тонкостенная шина высокого давления может быть выполнена с
ячеистой структурой. То есть внутренняя полость шины (или камеры при
ее наличии) будет состоять из набора ячеек крупного размера, причем
воздух или другой газ внутри них должен находиться под высоким
давлением, необходимым для работы стенок ячеек на растяжение при
максимальных нагрузках (деформациях).
В настоящее время общепризнано, что при разработке новой
технологии и техники необходимо учитывать её экологические
характеристики. Сделать это можно с использованием прогнозирования.
Мы для этих целей рекомендуем использовать метод оценки
инженерно-технической значимости изобретений [2], доработанный нами
в следующих направлениях: предлагается использовать его для
прогнозирования любых технических решений (не только патентных)[3];
разработана генеральная определительная таблица, учитывающая
особенности средств механизации сельского хозяйства и их экологичность
[1]; также учтено то явление, что начало возможного внедрения
определяется уменьшением обобщенного коэффициента полноты
технических решений по сравнению с начальным потоком до среднего
уровня [4]. Для этого в генеральной определительной таблице (ГОТ)
выделена восьмая характеристика (Х8), учитывающая обеспечение охраны
окружающей среды. Она состоит из перечисленных ниже шести позиций:
Происходит загрязнение (ядохимикатами, удобрениями и др.) с.-х.
продукции, а также окружающей среды - воды, воздуха и почвы; или
осуществляются вредные воздействия на них ‒ Х81.
Обеспечено отсутствие загрязнения ядохимикатами, удобрениями и
др. производимой или обрабатываемой с.-х. продукции и вредных
воздействий на нее ‒ Х82.
Обеспечено отсутствие загрязнения двух составляющих: с.-х.
продукции и воды, или почвы, или воздуха и вредных воздействий на них
‒ Х83.
Обеспечено отсутствие загрязнения трех составляющих: с.-х.
продукции и двух элементов из трех (воды, почвы, воздуха) и вредных
8
воздействий на них ‒ Х84.
Обеспечено
отсутствие
загрязнения
всех
перечисленных
составляющих и вредных воздействий на них. Рабочий орган, машина,
технология экологически нейтральны ‒ Х85.
Обеспечено улучшение качества с.-х. продукции и воды, почвы,
воздуха (в зависимости от вида воздействий). Рабочий орган, машина,
технология экологически полезны ‒ Х86.
При разработке новых технологий и технических средств может
возникнуть необходимость прогнозирования конкурирующих групп
технических решений и отдельных объектов только по экологическим
показателям. Для этого необходимо использовать экологическую ГОТ, в
качестве характеристик которой приняты указанные выше шесть позиций.
При этом для каждой характеристики необходимо сформулировать
содержание позиций, характеризующих качественные оценки вредных
воздействий применительно к особенностям отрасли экономики,
технологии и технических систем.
Список литературы:
1. Кузьмин М.В. Нетрадиционные рабочие органы для техникотехнологической модернизации сельскохозяйственного производства:
дис… д-ра техн. наук: 05.20.01 / М. В. Кузьмин. М.: РГАЗУ, 2009.
2. Гмошинский В.Г. Инженерное прогнозирование / В.Г.
Гмошинский.– М.: Энергоиздат, 1982.
3. Кузьмин М.В. Управление самостоятельной работой студентовзаочников в межсессионный период (учебно-методическое пособие)/М.В.
Кузьмин, Л.Ю. Киселёв, А. Н. Батищев, О.А. Михайленко, А.В. Закабунин.
М: Изд. РГАЗУ, 2004.
4. Кузьмин М.В. Прогностический критерий возможности
промышленного освоения технических решений / М. В. Кузьмин // РГАЗУ
– агропромышленному комплексу (сборник научных трудов). М.: РГАЗУ,
1998. – с.183 – 184.
9