ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПУТЁМ УМЕНЬШЕНИЯ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВ ХОДОВЫМИ СИСТЕМАМИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ

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 http://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.