DETERMINATION OF IMPACT PNEUMATIC PADDLE WHEELS VEHICLE DEGREE OF TRACTORS AND MACHINES WHEN WORKING IN IRRIGATED FIELDS

Full Text

Процесс обработки почвы при возделывании сельскохозяйственных культур предусматривает многократные проходы почвообрабатывающих машин по полю. В результате кратности захвата сельскохозяйственных машин и орудий множество проходов осуществляется по следам предшествующих машин. Результатом этого является чрезмерное уплотнение почвы, особенно верхних горизонтов, что негативно сказывается на ее состоянии, приводит к снижению плодородия почвы и, как следствие, к уменьшению урожайности сельскохозяйственных культур [1, 2, 3, 4]. Особенно интенсивно процесс уплотнения протекает на орошаемых полях. Это обуславливается тем, что орошаемые почвы имеют высокую влажность, большее количество пылевидных частиц на поверхности, низкую несущую способность, большую плотность и твердость по сравнению с неорошаемыми почвами. В связи с этим происходит интенсивное воздействие движителей машинно-тракторных агрегатов (МТА) на орошаемую почву, вызывая негативные последствия. Изучение данной проблемы с учетом региональных особенностей Саратовской области остается актуальной задачей. Цель исследований - снижение воздействия движителей машинно-тракторного агрегата на орошаемую почву. Задачи исследований: изучить процесс взаимодействия пневматического колеса с орошаемой почвой с определением закономерностей изменения физико-механических свойств почвы; определить аналитические зависимости описания степени воздействия пневматического колеса на орошаемую почву. Материалы и методы исследований. Теоретические исследования проводились в ФГБОУ ВПО Саратовский ГАУ, экспериментальные исследования выполнялись на полях ОПХ ВолжНИИГиМ Энгельского района Саратовской области. В ходе экспериментальных исследований использовался трактор К-701 с шинами Ф-81(86). Тип почвы - тяжелый суглинок. Полученный материал обрабатывался методом статистики с применением программного продукта Microsoft Exel. Результаты исследований. Основным видом негативного воздействия пневматического колеса на почву является контактное давление под опорной поверхностью колеса в процессе его передвижения, приводящее к деформации почвы, и, как следствие, к ее уплотнению. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований взаимосвязь между удельным давлением, создаваемым пневматическим колесом и изменением плотности почвы, можно описать выражением , (1) где а и b - коэффициенты, зависящие от физико-механических свойств орошаемой почвы; r и rо - соответственно плотность почвы после прохода пневматического колеса и начальная плотность почвы, г/см3. Определение значений коэффициентов, характеризующих физико-механические свойства орошаемой почвы, входящих в зависимость (1), выполнялось на основании обработки экспериментальных данных. Исследования проводились на суглинках. В результате были определены значения коэффициентов: для орошаемых почв а=0,054 и b=3,453.10-3; для неорошаемых почв а=0,021 и b=0,982.10-3. В ходе экспериментальных исследований было установлено, что во время прохода пневматического колеса верхние слои орошаемой почвы подвержены негативному воздействию и, как следствие, накоплению величин деформации и плотности почвы от каждого последующего прохода колес, входящих в состав МТА. Так, в процессе передвижения колесного движителя, в результате поворота колеса, вначале происходит уплотнение почвы за счет внедрения почвозацепов в почву, а затем выпор почвы под углом внутреннего трения [2], что приводит к образованию комьев из сильно уплотненной почвы, заключенной в межпочвозацепном пространстве. Образовавшиеся комья почвы имеют большой объем и в последующем мешают проведению последующих операций, тем самым, снижая их эффективность. Уменьшение влажности почвы в комьях повышает их несущую способность, повышая трудность их разработки, которая приводит к увеличению тягового сопротивления почвообрабатывающего агрегата, а иногда и к поломкам его рабочих органов [5, 6]. Искомый объем уплотняемой почвы определим по следующей формуле V = bhl, (2) где b - ширина почвозацепа в пятне контакта, м; h - глубина погружения почвозацепа в почву, м; l - длина пути, пройденного почвозацепом при уплотнении почвы, м. В процессе поворота колеса почвозацеп, движение которого описывается трохоидой, внедряется в почву, поэтому толщина уплотненного слоя будет изменяться от минимального значения в начале внедрения почвозацепа в почву до максимального значения при полном его погружении. При этом на объем уплотненной почвы будут влиять параметры и режим работы колесного движителя, а так же число и форма почвозацепов. Значение глубины погружения почвозацепов и промежутков между ними определим по формулам [7]: - для почвозацепа hн = hм+l1(1 - Кн), (3) - для опорных поверхностей промежутков между ними hп = hм - l1Кн, (4) где hм - наибольшая глубина погружения опорной поверхности колеса в почву, м; l1 - длина почвозацепа, м; Кн - коэффициент насыщения почвозацепов. Глубина погружения опорной поверхности колесного движителя на орошаемой почве с учетом изменения деформации почвы от удельного давления [2], возникаемого в почве во время прохода пневматического колеса, в аналитическом виде примет вид (5) где sо - предел прочности грунта на одноосное сжатие, при котором деформация грунта начинает возрастать без дальнейшего увеличения действующей на опорную площадку вертикальной нагрузки, Па; k - коэффициент объемного сжатия грунта, Н/м3; h - величина деформации, м. Коэффициент насыщения почвозацепов Кн определяется как отношение опорной площади контакта почвозацепа Sн к площади всего контакта Sобщ. . (6) Опорная площадь контакта почвозацепа определится как Sн = bl1mk1, (7) где m - количество почвозацепов находящихся в контакте с почвой; k1 - коэффициент использования площади почвозацепа в процессе контакта с почвой. Общая площадь всего пятна контакта колесного движителя с почвой определится по следующей зависимости: Sобщ = Sн+bкRкm/180о, (8) где bк - ширина колесного движителя в пятне контакта, м; Rк - радиус колесного движителя, м; m - угол между соседними почвозацепами, град. Длина проходимая почвозацепом за один оборот колесного движителя определяется как , (9) где - введенная переменная; - скоростной параметр; к - коэффициент буксования; uх и uу - соответственно поступательная скорость перемещения колесного движителя и скорость внедрения почвозацепа в почву, м/с; a - угол поворота колесного движителя из начального положения в фиксированное, град; Проводя расчет аналитических зависимостей (3-9) и подставив полученные значения в зависимость (2) можно определить объем уплотняемой почвы, заключенной между почвозацепами. Проводя анализ представленных зависимостей, необходимо отметить, что на объем уплотняемой почвы большее влияние оказывает характер движения и форма колеса, которые можно оценить коэффициентом буксования и удельным давлением. Если вес, приходящийся на ось пневматического колеса, - величина постоянная, и зависит от массы базовой машины, то величина коэффициента буксования колеса изменяется в зависимости от скорости движения и влажности почвы. Для подтверждения данных суждений были проведенные экспериментальные исследования, в ходе которых трактор К-701 с шинами Ф-81(86) и максимальной крюковой нагрузкой двигался по неорошаемым почвам - тяжелым суглинкам с влажностью 18-19% и орошаемым почвам - тяжелым суглинкам с влажностью 24-25%. Результаты исследований показали (рис. 1), что увеличение скорости с 2 до 10 км/ч приводит к двукратному увлечению коэффициента буксования для обоих типов почв, однако, коэффициент буксования на орошаемых почвах в среднем на 13,3% выше по сравнению с неорошаемыми почвами. Скорость, км/ч Рис. 1. Влияние скорости движения трактора К-701 на буксование пневматических шин при максимальной крюковой нагрузке Исходя из вышеизложенного следует, что увеличение скорости движения и массы, приходящейся на ось пневматического колеса, приводит к увеличению объема уплотненной почвы в верхних горизонтах, заключенных между почвозацепами шины [8]. Оценить степень данного негативного воздействия можно путем изменения качественного показателя почвы определяемого как (10) где Псi - абсолютный показатель свойства почвы, который подвержен изменению вследствие воздействия на почву; Псд - абсолютный показатель свойства почвы, принятый за допустимый. Качественным показателем почвы может быть любое физико-механическое свойство почвы, которое изменяет свои значения в процессе передвижения пневматического колеса по почве. Тогда величину качественного показателя почвы можно записать в виде (11) где - максимальное значение показателя почвы, которое может достигать в результате воздействия движителя; - минимальное значение показателя почвы, как правило, эталонное значение. При воздействии пневматических колес МТА на почву приводит к изменению нескольких показателей почвы, при этом их величина и значимость для роста сельскохозяйственных культур может быть различной. Тогда с учетом коэффициента весомости единичного качественного показателя почвы можно произвести оценку степени воздействия пневматического колеса МТА на почву путем определения комплексного показателя качества почвы, определяемого по математической модели следующего вида (12) Оценка степени негативного воздействия пневматического колеса МТА на почву начинается с определения качественных показателей свойств почвы, которые можно измерить в ходе экспериментальных исследований. Были выбраны следующие показатели: плотность почвы, глубина следа, макроагрегатный состав, влажность почвы, твердость почвы и давление в почве, возникаемое в момент прохода колеса. В ходе экспериментальных исследований проводился замер изменения показателей почвы до и после прохода пневматических колес МТА, ряд из которых представлен в таблице 1. Таблица 1 Изменение качественных показателей почвы после прохода пневматических колес МТА Марка трактора Давление движителя на почву, кПа Плотность почвы, г/см3 Глубина следа, см Комплексный показатель качества почвы МТЗ-80 70 1,43-1,36 6-8 1,4 К-701, К-744 110 1,48-1,44 7-9 2,2 ДТ-75 50 1,4-1,36 5-6 1 МТЗ-1221 85 1,44-1,38 6-7 1,7 МТЗ-1522 90 1,45-1,39 6-8 1,8 РТ-М-160 95 1,45-1,40 7-8 1,9 ХТЗ-16331 108 1,47-1,43 8-9 2,16 Т-150К 120 1,52-1,46 8-10 2,4 Дождевальная машина Фрегат 140 1,55-1,67 15-24 2,8 Норматив 35-40 1,2-1,3 3-4 Зная абсолютный показатель свойства почвы, принятый за допустимый, при котором возможно нормальное развитие сельскохозяйственной культуры (табл. 1), можно определить качественный показатель почвы, результат которого является основанием для расчета комплексного показателя качества почвы. Заключение. Представленные аналитические зависимости способны провести оценку негативного воздействия движителей МТА, движущегося по разным типам почв, что позволит повысить эффективность применения МТА за счет минимизации воздействия и сохранения плодородия почвы. Представленные зависимости позволят провести оптимизацию конструктивно-технологических параметров МТА.

About the authors

A V Rusinov

FSBEI HVE Saratov SAU named after N. I. Vavilov

Email: Rusinovsar@yandex.ru
cand. of tehn. sciences, associate prof. of the department «Tehnosphere safety and transport-technological machines» 410010, Saratov, Technical, 5 str

References

Supplementary files