ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПУТЁМ УМЕНЬШЕНИЯ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВ ХОДОВЫМИ СИСТЕМАМИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ

Рис. 4. Зависимость давления от числа проходов трактора ДТ-175С на дерново-карбонатной среднесуглинистой почве под левой (2) и под правой (1) гусеницами с боковой (4) и задней (3) навеской рабочих органов на глубине 0,1 м.

Анализ результатов измерения твердости черноземной почвы показал, что с увеличением горизонта почвы твердость ее возрастает. Твердость почвы по следу трактора ДТ – 175С существенно больше, чем по следу ДТ- 175СИ. В слое 0…0,1 м в 1,5…2 раза, в пахотном слое в 1,2…1,5 раза. Трактор ДТ – 175С существенно увеличивает твердость почвы в слое 0…0,3 м, причем изменение твердости при многократных проходах наблюдается до глубины 0,5 м. Твердость почвы также как и плотность почвы зависит от кратности воздействия трактора, его скорости и влажности почвы, а также от конструктивных особенностей ходовой системы.

Пятая глава содержит общие формулировки математических моделей пневматической шины и деформируемого грунтового основания и их обоснование; локальную и вариационную формулировку задачи о контакте шины с основанием и описание методики её решения.

Пневматическая шина рассматривается как многослойная вязкоупругая оболочка переменной толщины со сложной формой меридиана.

В пределах индивидуального слоя предполагается линейный закон распределения перемещений по толщине:

(18)

где - вектор перемещения точки к-го слоя, - вектор перемещения базы параметризации слоя, - вектор поворотов-обжатий нормали, - нормальная координата Гауссова триэдра, - тензор кривизны локальной базы параметризации.

Тензор деформации Коши-Грина в пределах классического слоя определяется соотношениями среднего изгиба оболочек средней толщины. Переход к глобальной базе параметризации осуществляется, следуя В.Н. Паймушину.

Предположение об идеальном контакте слоев позволяет полностью охарактеризовать кинематику шины перемещениями её нечетных слоев.

Далее на основе термомеханики шинных материалов при статических и динамических нагружениях формулируются вариационные принципы статики и циклики шин как многослойных оболочек.

Основываясь на подходе А.С. Кузьмина к построению моделей многослойных оболочек на базе сопряженных аппроксимаций полей трансверсальных деформаций и напряжений, сформулированы локальные формулировки задач о статическом и циклическом деформировании шины как многослойной оболочки.

Получаемые системы уравнений являются дифференциальными по координатам глобальной базы параметризации и разностными по номеру слоя. Это позволяет значительно упростить решения задач статики и циклики шин, основываясь на развитом Ю.Н. Новичковым и А.С. Кузьминым структурно-континуальном подходе к расчету шин.

Во втором параграфе главы сформулирована математическая модель деформируемого основания.

Основание рассматривается как неоднородное вязкоупругопластическое пористое тело, состоящее из однородного вязкоупругого полупространства, на котором распложен толстый слабонеоднородный изотропный частично влагонасыщенный слой, на котором, в свою очередь, лежит неоднородный анизотропный пористый частично влагонасыщенный слой средней толщины.

В пределах каждого из слоев грунта его динамика описывается уравнениями неразрывности фаз и движения фаз с учетом закона Генри, а уравнение состояния изотропной части скелета принимается в форме Б.Е. Победри

(19)

где - ядра ползучести грунта, - первые инварианты тензоров и деформаций, соответственно, - компоненты девиатора напряжений и деформации, - параметр пластичности А.А. Ильюшина, - интенсивность сдвигов, - известные функции определяющие тип модели.

В пределах армированного волокнами растительных остатков с концентрацией волокон в предположении об однородности распределения арматуры по координатам базы параметризации дневной поверхности и заданной плотности распределения волокон по углу с вертикалью потенциал твердой фазы есть

. (20)

В силу водоупорности подстилающего полупространства в нем , в силу вязкоупругости - .

Следуя Йосселену де Ионгу, и применяя асимптотическое стохастическое описание для каждого из слоев в относительных скоростях для жидкой и газовой фаз после стохастической линеризации получены уравнения обобщенного закона Дарси, где уравнения движения среды в целом описываются поровым давлением , осредненными концентрациями , , осредненным тензором напряжений и вектором перемещений скелета и параметром пластичности , то есть являются моделью вязкоупругопластического тела с внутренними переменными.

Далее формируется вариационный, точнее, квазивариационный принцип, которому удовлетворяет деформирование основания.

Третий параграф главы посвящен определению номенклатуры существенных для динамики МТА выходных характеристик шин в контакте с деформируемым основанием. К числу выходных характеристик шины наряду со стандартным массо-геометрическими относятся следующие: кинематические параметры шины; статические (динамические) параметры шины; параметры накопления и рассеяния энергии в шине; характеристики долговечности шины.

Все эти параметры существенно зависят не только от характеристик шины, но и от характеристик основания. Рассматривая выходные характеристики шин как характеристики отображения пятна контакта шин с основанием в пятно контакта шин с ободом колеса, естественно ввести следующие геометрические характеристики: площадь пятна контакта с основанием и с ободом , площадь зон сцепления и скольжения длина пятна контакта (длина максимальной эквидистанты в пределах пятна контакта) и аналогичные параметры для зоны сцепления . Для описания формы пятна контакта и зоны сцепления естественно ввести относительную длину пятна, то есть отношение хорды соединяющей концы максимальной эквидистанты, к длине пятна максимальной полуширины пятна контакта центральной полуширине пятна контакта , положение и характеристики главных центральных осей пятна контакта, эксцентриситет проекции центра колеса на пятно, кривизны поверхности контакта в случае деформируемого основания, а также углы между осью вращения колеса и главным центральным осями пятна, осью вращения колеса и концами максимальной эквидистанты, аналогичные характеристики естественно вводят для зон скольжения и сцепления.

Наряду с геометрическими характеристиками пятна контакта, вводятся следующие характеристики геометрии системы в целом: радиус качения , определяемый как расстояние от проекции оси вращения колеса на поверхность контакта до оси колеса; максимальная и минимальная поперечная ширина колеса ; угловые размеры пятна контакта колес с опорной поверхностью, зон скольжения и сцепления по отношению к центру колеса. Для характеристик кинематики колеса в целом вводятся вектор скорости колеса и вектор его угловой скорости по отношению к неподвижной системе координат. Для характеристики относительного движения обода колеса и борта шины вводятся главный вектор и главный момент скорости движения борта относительно обода, приведенные к центру колеса.

В качестве основных статистических параметров вводятся главные вектора и главные моменты контактных усилий, приводя их в случае контакта шины с ободом к центру колеса, а в случае контакта шины с основанием к центру пятна контакта.

В силу отмеченной существенной нелинейности задачи о контактном взаимодействии шины с колесом и деформируемым основанием представляется естественным, не вводя, как это делается обычно, жесткости шины, при обработке результатов вычислительного, стендового или натурного эксперимента искать прямые регрессионные связи между внутренним давлением и динамо на оси колеса, с одной стороны, и геометро-кинематические характеристиками шины и пятна контакта, с другой.

Переход к стандартным жесткостным характеристикам при этом осуществляется частным дифференцированием полученных зависимостей. Преимущество этого подхода при построении машинно-ориентированных систем проектирования колесных машин, таких как САПР, очевиден, поскольку операция дифференцирования экспериментальных данных резко снижает, как известно, точность прогноза, а объем хранимой информации возрастает несущественно. Кроме того, этот подход позволяет наряду со стандартными жесткостями учесть перекрестные, такие как или жесткостные коэффициенты второго порядка, как

(21)

или обратные к ним упругие характеристики, не только силовой и моментный коэффициенты увода, но и учесть реальную взаимосвязь между углом увода, стабилизирующим моментом и боковой силой.

Для характеристик диссипации энергии в системе «колеса-шина-основание» естественно выделить следующие основные каналы накопления и рассеивания энергии: кинетическая энергия движущегося жесткого колеса , потенциальная энергия движущегося колеса , кинетическая энергия движущейся шины , потенциальная энергия деформации шины , кинетическая энергия деформирования основания , потенциальная энергия деформирования основания , потенциальная энергия контактных нормальных давлений , диссипации энергии в вязкоупругопластическом основании , изучение энергии в основание на бесконечность , диссипация энергии за счет трения в контактных зонах . Мощность трения в контактных зонах определяется очевидным соотношением

(22) Для экспериментального исследования диссипации, наряду со стандартным прямым определением коэффициента по логарифмическому декременту колебаний, поскольку является глобальной характеристикой, естественно определить главную часть диссипации мощности косвенным путем по расчетно-экспериментальной оценке кинетической и потенциальной энергии колеса с шиной.

На рис. 5. приведена обобщенная схема, содержащая перечень основных выходных характеристик сельскохозяйственных шин.

Учитывая, что выходные характеристики шины являются интегральными показателями её НДС в контакте с грунтом, естественно для оценки применять упрощенные модели шин и основание, обеспечивающий необходимую точность по выходным характеристикам и достаточную высокую эффективность расчетных алгоритмов.

С этой целью была разработана методика определения интегральных и локальных характеристик контактного взаимодействия шины с деформируемым основанием и сопоставлена с результатами стендового и натурного эксперимента исследования шин модели ФД-14А. Приведено описание инструментального и методического обеспечения экспериментов.

Рис. 5. Модифицированная номенклатура ВХШ

Для проведения лабо­раторных исследований создан стенд, защищенный авторским свидетельством № 1195210, обеспечивающий, наряду со стандартными для практики исследований шин, измерениями, фотофиксацию пятна контакта на твердой опорной поверхности и позволяющий моделировать движение колеса по деформируемому основанию.

В качестве модели деформируемого основания использована система резинотканевых емкостей, соединенных с управляемой гидравлической системой, что позволяет моделировать как упругие, так и реономные свойства основания.

Натурный эксперимент проводился на ПФ НАТИ на тракторе Т-150К.

Для определения нагрузочных поверхностей в эксперименте используется теоретико-экспериментальный подход оболочек А.С. Саченкова, сущность которого заключается в том, что на основе теоретического анализа закладываются основанные предположения относительно функции отклика, а параметры последней определяются экспериментально. Для нагрузочных поверхностей приняты функции отклика следующего вида

. (23)

Использую это выражение в качестве регрессионного уравнения, на основе теории планирования эксперимента, предложено для определения регрессионных коэффициентов применять звездные планы, построенные на основе насыщенных реплик, удовлетворяющие критериям униформности и ротабельности. Приведен план трехфакторного эксперимента, где в качестве

факторов использованы давление в шине, поперечная нагрузка на колесо и продольная сила на оси колеса, а выходными характеристиками являются кинематические геометрические параметры шины и контактной области. Аналогичным является подход при планирования натурного эксперимента. Повторность эксперимента выбралась из условия достижения 10-ти процентной величины размаха доверительного интереса для коэффициентов регрессии и составляла в разных экспериментах от 5 до 10.

Далее приводятся сопоставления расчетных и экспериментальных результатов по определению выходных характеристик шин. На рис. 6 и 7 сопоставлены результаты определения жесткостных характеристик шин расчетным путем в стендовом и натурном эксперименте на недеформируемом и деформируемом основании. Нетрудно видеть, что расхождение между результатами расчета и экспериментов является статически незначимым, что свидетельствует о корректности предложенных методик оценки внешних характеристик шин.

Дополнительно обсуждены локальные характеристики напряженно- деформированного состояния шины в контексте с деформируемым основанием. Установлено, что:

1. Циклы напряжений и деформаций не только несинфазны, но и различны по спектральному составу рис.8.

Рис.6. Жесткостная характеристи­ка шины ФД-14А

1 - - - - деформируемое основание; 2 ——твердая опорная поверхность.

Рис. 7. Уводная характери­стика шины ФД-14А где: 1 - твердая опорная повер­хность; 2 - деформируемое основа­ние; - натурный эксперимент

Рис.8. Циклы безразмерных интенсивностей деформаций и напряже­ний в центре каркаса шины: ----- напряжение; ——— деформация

Рис.9. Профиль безраз­мерного контактного дав­ления: 1 - твердая опорная повер­хность V=0; 2 - твердая опорная повер­хность V= 17м/с; 3 - деформируемая опорная поверхность V=0

а

б

Рис. 10. Профиль колеи с шиной ФД - 14А и линии ровного парового давления.

2. Распределение контактного давления по пятну контакта может быть как

унимодальным, так и полимодальным в зависимости от внутреннего давления в шине, свойств грунта и скорости движения колеса рис.9.

3. В процессе колееобразования максимальное переуплотнение достигается на глубине 1-3 ширины пятна контакта и на расстояние 2-5 ширины контакта от центра пятна рис. 10.

Шестая глава посвящена эколого-экономическому обоснованию применения сельскохозяйственных тракторов с модернизированными гусеничными движителями. Сравнение эффективностей двух вариантов использования существующей и модернизированной техники для обработки

почвы и посевов может служить мерой экономического обоснования вложения средств в инновационную технологию.

Формально ЧДД проекта в целом (общественная эффективность ИПИ может быть только в целом) можно представить в виде:

, (24)

где Rt - величина притоков (в частности, стоимость будущего урожая, а не прибавки); Ct - текущие оттоки: эксплуатационные затраты и др.; It - инвестиции, в том числе альтернативная стоимость подключенных к проекту активов; LT - эффект, который можно получить (с учетом ликвидационных затрат) за пределами расчетного периода; d - норма дисконта, в общем случае - переменная величина.

Для расчета урожайности сельскохозяйственной культуры предложено использовать имитационную модель агроценоза яровой пшеницы, разработанную во ВНИИГиМ, в которой погодные и др. условия роста и формирования урожая будут оставаться постоянными, а плотность почвы будет задаваться по результатам ранее проведенных исследований влияния числа прохода трактора на плотность почвы.

Для оценки влияния уплотнения почвенного покрова на урожайность яровой пшеницы было поставлено серия численных экспериментов с моделью агроценза яровой пшеницы. В пакете входной информации к модели агроценоза почвенные условия задавались по характеристикам дерново-слабоподзолистой легкосуглинистой почвы (Дмитровский р-н, Московская обл.): погодные данные (1995-98гг.) и сроки сева взяты по данным метеостанции г. Долгопрудный (Московская обл.). Результаты расчетной урожайности по категориям уплотнения почвы представлены в табл. 3.

Принимая ширину сельскохозяйственных орудий (используемых для выполнения полевых работ механизированным способом) от 2 до 23 м, ширину гусениц – 0,47 м, боковую деформацию 0,5 м и учитывая 8 операций полевых работ до завершения сева, можно допустить, что за весенний период вся поверхность почвы подвергается однократному воздействию.

Таблица 3

Урожайность яровой пшеницы (т/га) на почвах различной уплотненности