Диссертация (Моделирование порового пространства и гидрофизических свойств почв для обоснования мелиоративных мероприятий и технологий), страница 8

Кирпичёв, 1874; А. Кик, 1885);- работа совершаемая при дроблении частицу прямо пропорциональналинейной комбинации изменения ее первоначального объёма и приращенияплощади ее поверхности (П.А. Ребиндер, 1944);- напряжение на концах трещин в частице связано с критическойдлиной трещины (А. Гриффитс, 1920);- работа, совершаемая при дроблении частицы прямо пропорциональнасреднему геометрическому приращению объёма и площади поверхности (Ф.Бонд, 1950).43Согласно поверхностной теории для измельчения тела необходимосовершить работу, величина которой прямо пропорциональна площадиповерхности образовывающейся при измельчении, т.е.AS=f(∆S),(1.4.8)где ∆S - площадь образованной поверхности.Если предположить, что измельчаются имеющие длину ребра D телакубической формы, до кубов с длиной ребра d то, число полученных частицсоставит n = D3/d3, а приращение удельной площади поверхности при этомсоставит ∆S=Sкон-Sнач=6D2(n-1).Если образование единицы площади новой поверхности затрачиваетсяработа Ауд, то полная работа, затраченная на процесс измельчения, составитАS=Ауд∆S=6АудD2(n-1).

Таким образом, АS∼D2 илиАS=knD2,(1.4.9)где kn - определяемый опытным путем коэффициент пропорциональности.Поверхностная теория измельчения с высокой степенью достоверностизарекомендовала себя при расчетах измельчения тел до размеров 0,4…0,6 мми менее, т.е. при получении дисперсных систем с высокой удельнойповерхностью.Согласно объемной теории затраченная на измельчение работа AV,пропорциональна объему ∆V или массе измельченной части тела.

Такимобразом, АV∼D3 илиАV=knD3.(1.4.10)Поверхностная теория, как и объемная не учитывает влияниеконкретных условий, при которых происходит измельчение на егоэнергоемкость (дисперсность материала, конструкцию, режимы работыизмельчителей и т.д.).Обобщенная теория измельчения совмещает положения объемной иповерхностной теорий. Согласно Ребиндеру, при измельчении, существеннаядоля энергии напрасно расходуется на нагрев тела и образование в неммикротрещин. Микротрещины смыкаются при снятии нагрузки и за счет сил44молекулярного сцепления целостность частиц восстанавливается.ДляопределенияработыАизмнеобходимойдляизмельченияМельниковым С.В.

(1952 г.) предложена и использована формулаАизм=С1lgλ3+ С2(λ-1),(1.4.11)где λ= D/d – степень измельчения; С1, С2 – эмпирические коэффициенты,зависящие от свойств измельчаемого материала, Дж/кг; D, d – средниеразмеры частиц до и после измельчения, мм.Учитывая сложность формы поверхности измельчаемых материалов,исходный размер принято характеризовать эквивалентным диаметром,равным диаметру шаров, общий объем которых равен действительномуобъему исходного материала.В исследованиях Ю.И. Матяшина и др. рассмотрена сравнительнаяэнергооценка почвообрабатывающих машин по степени крошения почвы.Установлено, что энергетический подход к изучению рыхлящей способностипочвообрабатывающих машин возможен на базе некоторого однозначногознаменателя. Оценка обосновывается тем, что при равных, фиксированныхусловиях работы ротационных машин затраты энергии на обработку тесносвязаны со степенью крошения почвы.

Само крошение непосредственнозависит от подачи на нож. При расчете затрат энергии на обработку почвыротационными машинами, учтены основные параметры и режимы работыэтих машин, показатели качества крошения почвы [126]. Расчет основан наиспользовании поверхностной теории измельчения П. Риттингера. Изученовоздействие на почву ротационных рабочих органов (фрез, дисковых иигольчатых борон, ротационных культиваторов).Определение поверхности почвенных агрегатов в единице объема (илимассы) обработанной почвы позволяет анализировать результаты крошенияпочвы.

В расчетах предполагаются следующие затраты энергии ротационныхпочвообрабатывающих машин в процессе работы:E=E1+E2,(1.4.12)где E1 - затраты энергии на рыхление (отрезание стружек), E2 - затраты45энергии на отбрасывание почвы.В таблице 1.2 приведена часть данных обработки результатовгосударственных испытаний фрез, а также обобщены результаты полевыхиспытаний бороны БРК-6 с коническими и РВУ-6 со спиральнозубовымибарабанами по методу Риттингера [126]. Кроме того, в таблице 1.2 данынекоторые результаты сравнения поверхности почвенных агрегатов послеобработки почвы фрезой ФНШ-1,5, РВУ-6 с винтозубовыми барабанами ибороной БРК-6.

На основании этих данных делается вывод о рыхлящихспособностях орудий.Таблица 1.2 – Результаты энергетического изучения качества крошенияпочвы (для ротационных машин) [126]УдельнаяПоверхность почвенныхВид обработкиэнергоемкость агрегатов в обработаннойпочвыпочве, м2/м3E⋅105, Вт/м3ОрудиеФБН-0,9ФБН-1,5ФБН-2,0ФНШ-1.5КПС-4+ БЗС-1ФрезерованиеФрезерованиеФрезерованиеФрезерованиеКультивация иборонованиеБИГ-3 (уголРыхлениеафронтальности 15°)БРК-6 (уголРыхлениеафронтальности 15°)РВУ-6Рыхление3,783,373,002,652952522223140,901920,752720,773550,75400По величине E-1 связывающей объем обработанной почвы с единицеймощности, изучается эффективность почвообрабатывающих орудий.

Такимобразом, реализована возможность сравнения различных орудий в разрезевопросов эффективности крошения.Данный подход показывает возможности энергетического изученияширокогорядамашин.почвообрабатывающихмашинОднакоонпритребуетоценкедоработкиустраняющих ошибки поверхностной теории измельчения.ротационныхиуточнений,461.4.4. Анализ термодинамического подхода к изучению уплотненногосостояния почвыТеорияколичественнойэнергетическойоценкимеханическоговоздействия на почву сельскохозяйственной техники была предложена вработе Сироткина В.М.

[192] и наших совместных работах [5, 17].Механическое воздействие на почву изучается с помощью безразмерногоинтегрального показателя. В его качестве выступает отношение удельныхобъёмных свободных энергий Гиббса, до и после воздействия на почву.ЭнергияДж. У. Гиббса–определяющийэнергетическоесостояниепочвенной влаги термодинамический потенциал [3, 127, 130]. Если припостроении ОГХ оси абсцисс откладывается объемная влажность, топлощадь, ограниченная кривой ОГХ и координатными осями, равна удельнойсвободной энергии Гиббса, то есть энергии в единице массы или объемапочвы.

В работах [12, 17, 128] показано, что значение площади,ограниченной кривой ОГХ и координатными осями является объективнымэнергетическим показателем изменения состояния системы «твердая фаза –жидкая фаза». Оценка состояния почвы унифицируется при использованиивводимого единого критерия.Рассмотрим отношение удельной свободной энергии почвы домеханического воздействия к значению этой же энергии после воздействия.Оно может быть использовано в качестве безразмерного показателяуплотнения.ВычислениеплощадиограниченнойкривойОГХосуществляется в пределах влажности почвы доступной растениям.Вычисленные для конкретных случаев количественные значения площадиограниченной кривой ОГХ позволяют оценить влияние орудия наэнергетическое состояние почвы [17, 192].При сравнении уплотняющего воздействия орудий используетсяпоказатель уплотнения β.

Его энергетическая суть определяется извыражения [6]:47β = 1 - Е/Е0,(1.4.13)где Е0 – удельная энергия системы «твердая фаза – жидкая фаза» довзаимодействия с орудием; Е – удельная энергия системы «твердая фаза –жидкая фаза» после взаимодействия с орудием.Численные значения Е0 определяются для значений объемнойвлажности соответствующей влажности устойчивого завядания растений [6].Аналогично предлагается проводить оценку крошения и рыхлящегодействия на почву.

В таблице 1.3 для различных почв представлены данные,показывающие оценку почвообрабатывающих орудий по-разному меняющихпористость почвы.Таблица 1.3 – Сравнительная оценка почвообрабатывающих орудий [17, 192]ОрудиеЭксперим.афронтальнаяборонаИгольчатаяборонаЭксперим.афронтальнаяборонаИгольчатаяборонаΩ,м /м3⋅1062а2Р0Рдо послеЕ0,Е,3кДж/м кДж/м3βдопосле0,0390,0400,490,711,802,160,190,0390,0390,490,661,802,120,170,0390,0390,440,701,481,890,280,0390,0390,440,631,481,830,24198172Проведенный анализ данных показывает, что даже незначительныеотличия в значениях пористости приводят к весьма существеннымизменениям интегрального энергетического показателя системы «почва вода» и значительным изменениям показателя уплотнения. Изменениесвободной энергии позволяет количественно отразить уровень воздействияопределенного орудия на степень приближения созданных в почве условий к«оптимальным» для развития растений конкретной культуры.Изменениесвободнойэнергии,характеризующеемеханическоевоздействие, в данном случае зависит только от изменения пористости.48Однако в работе В.М.

Сироткина предполагается, что изменения пористостипроисходит равномерно по всему объему почвы, что далеко не всегдасоответствуетдействительности.Приуплотнениирасстояниямеждучастицами почвы уменьшаются пропорционально оказываемой на нихнагрузке, которая переменна по глубине. Значит и пористость меняется хотяи монотонно, но на различные значения. При рыхлении и крошениирасстояния между частицами почвы меняются на величины, имеющие разныепорядки (расстояния между частицами в агрегате и расстояния междуагрегатами)ипоэтомупредложенныйподходимеетограниченноеприменение.

Значение пористости может измениться на одну и ту жевеличину при различающихся изменениях произошедших в почве.Предельные случаи таких изменений следующие: 1) появление небольшогочисла «крупных» агрегатов; 2) появление большого числа «мелких»агрегатов.Болеетого, самизначенияΔЕ≈2кДж/м3соответствуютувеличению площади почвенных частиц на 27400 м2 в 1 м3, (посколькуΔЕ=σΔS, а σ=0,073 Н/м). Получено завышенное приблизительно на порядокзначение ΔS, которое соответствует среднему размеру частиц 0,14 мм. Такимобразом, результат изучения состояния почвы базирующийся только наизменении пористости может совершенно не отвечать реальному состоянию.Поэтому определение изменения площади образовавшихся агрегатов,позволяет увеличить объективность выводов полученных из результатовизмерений.

Изменению площади, как показано в методе П. Риттингера,пропорциональна затраченная на крошение энергия. Кроме того, результатывычислений, полученные по предложенным формулам, имеют достаточновысокую относительную ошибку.1.5. Особенности оценки проведения ряда агромелиоративных икультуртехнических мероприятийПоскольку в течение всего процесса вегетации растений фактором,49ограничивающим получения высоких урожаев, является влага, то врезультатевоздействияприобретеныилинапочву,улучшеныповозможности,свойства,должныпозволяющиебытьмаксимальнонакапливать и экономно расходовать имеющуюся и попадающую в нее ввиде осадков и полива влагу.Кратко рассмотрим такие агромелиоративные и культуртехническиемероприятия как плантаж, глубокое рыхление и фрезерование.Плантаж - глубокая вспашка с оборотом и без (в зависимости отплодородия, кислотности и др.) верхнего горизонта почвы вниз и выносом наповерхность нижнего.

Проведение плантажа необходимо для решенияследующихзадач:созданиеблагоприятныхусловийдляполученияпитательных веществ корнями; увеличения влагоемкости; сокращениеколичествасорныхпроникновениетрав;воздуханаулучшениебольшуювоздушногоглубину);режима(лучшееулучшениеусловийжизнедеятельности почвенных микроорганизмов; улучшение переносимостизасухи (благодаря более сильной корневой системе).