Диссертация (1151678), страница 19
Текст из файла (страница 19)
В области с влажностью w>w0появляется липкость, рассмотрим разность давлений, обуславливающую этулипкость [21]:⎛ 11 ⎞Δp = p ′′ − p ′ = σΩ 0 ⋅ D(w, Π 0 ) − δ Ω 0 ⎜⎜ 3 − 3 ⎟⎟ ,Π0 ⎠⎝w(3.1.1)где Ω0 - объемная удельная поверхность, (м2/м3); w - объемная влажность,(м3/м3); ρ - плотность воды, кг/м3; Π0 - пористость сухого образца; D(w,П0)функция неявно учитывающая гранулометрический состав почв; σ –удельная работа увеличения поверхности раздела вода - воздух, Дж/м3.Формула подтверждает факт возрастания липкости (Δp) с возрастаниемудельной поверхности почвы (Ω0).
В формуле (3.1.1) оба слагаемых содержатобъемную удельную поверхность Ω0, что вполне согласуется с известнымявлением возрастания липкости с увеличением дисперсности почвы, поэтомуглинистые почвы более липкие, чем песчаные. Зависимость поверхностногонатяжения σ от температуры известна, поэтому, подставляя σ(T) в формулу(3.1.1) учитываем влияние температуры. Вид функции D(w, Π0) можнополучить для различных трехмерных моделей с отличающимися числом,ориентацией и структурой пор.
Для построения зависимости липкости отвлажности перейдем от величин давления к более распространенномуотношению г/см2, а вместо значений влажности отложим w2/3 поскольку этойвеличине пропорциональна площадь почвенной влаги, соприкасающаяся стелом [3, 5].Для экспериментального определения липкости обычно используют126прибор В.В. Охотина или Н.А. Качинского представляющий собойвидоизмененные технохимические весы [6]. Следует учесть, что припроведении эксперимента производят полное соприкосновение диска спочвой. Сверху на диск кладут груз (выбор нагрузки определяется задачейисследования) и выдерживают груз в течении 30 с.
Диск прилипает к почве.Такая постановка эксперимента приводит к тому, что слой почвынепосредственно под диском уплотняется, величина объемной влажности вэтом слое увеличивается, а потенциал влаги и соответственно эквивалентноедавление уменьшаются. Перечисленные изменения вызывают ошибки врасчетах, поскольку вместо более высокого значения влажности почвы вточках контакта учитывается среднее по образцу почвы значение влажности.Расчет липкости по предложенной методике позволяет получатьзависимости липкости для почв в их естественном состоянии, бездополнительного уплотнения присущего классическим методам. Поэтомустановитсявозможнымсучетомосновныхпочвенныхпараметровопределение уровня увлажнения, при котором уменьшается прилипаниепочвенных частиц к сельскохозяйственным орудиям и увеличиваетсяспособность частиц к самоагрегированию – физической спелости почв.
Дляконкретныхучастковполя,становитсявозможнымрасчетусловийпроведения полевых работ, при которых воздействие на почву максимальноэффективно. Таким образом, реализуется резерв экономии ресурсов припроведении сельскохозяйственных работ.3.1.2. Определение соответствия экспериментальным данныманалитической зависимости для липкости почвТеоретические зависимости липкости основных почв ЧувашскойРеспублики и результаты обработки экспериментальных данных приведенына рисунках 3.1 и 3.2.По липкости почвы делятся на 4 группы: предельно липкие, сильно127вязкие, средне- и слабовязкие.
Статистическая обработка показывает, чтополученнымизависимостямиописываетсявсреднемоколо79%экспериментальных данных:- дерново- подзолистая легко суглинистая – 76%;- светло серая лесная – 82%;- темно серая лесная – 83%;- чернозем выщелоченный – 74%.Полученные значения влажностей начального залипания w0 ивлажностейсоответствующихмаксимальнойлипкостиwmaxхорошосогласуются со значениями перехода почв от одного энергетическогосостояния в другое, описываемыми различными реологическими моделями,предложенными А.Д. Ворониным.128Рисунок 3.1 – Теоретические зависимости L(w) и экспериментальные данныедля светло-серой и темно-серой лесных почв129Рисунок 3.2 – Теоретические зависимости L(w) и экспериментальные данныедля дерново-подзолистой почвы и выщелоченного чернозема1303.1.3. Получение функциональной зависимости для коэффициентатрения в почвахСилы трения в почве проявляются при ее скольжении относительнотела, которое находится с ней в контакте (внешнее трение), или скольжениячастиц составляющих почву относительно друг друга (внутреннее трение)[22, 138, 139].
Они оказывают существенное влияние на агромелиоративныеикультуртехническиефрезерование),мероприятияпосколькунаработу(плантаж,поглубокоепреодолениюрыхление,силтрениязатрачивается от 30 до 50% энергии МТА [39, 115].Сила трения возникает при действии активной силы, стремящейсяпереместить одно тело относительно другого при нормальном давлении [75].Сила трения Fтр всегда находится в плоскости взаимодействия тел инаправлена в противоположную сторону от активной силы. Определяется изформул:Fтр=fN, ϕ=arctg(Fтр/N),(3.1.2)где f – коэффициент трения; N – сила нормального давления, Н; где ϕ – уголтрения.На степень взаимодействия почвенных частиц с поверхностью рабочихорганов машин преимущественно влияет соотношение сил в системах«частица-частица» и «частица-поверхность».
С увеличением различия вданном соотношении возрастает степень фиксации частиц на рабочейповерхности.Определяютсилуфиксациичерезразностьмеждурезультирующей силой трения между соприкасающимися почвеннымичастицами и силой трения о поверхность рабочего органа ΔF = p z (f– k f *),где p – удельное давление; z – количество контактирующих с поверхностьючастиц; f * – коэффициент трения между почвенными частицами; f –коэффициент почвенных частиц о поверхность рабочих органов; k –зависящая от числа контактов константа.131Сцепление между частицами почв, как правило, превышает сцеплениечастиц с поверхностью рабочих органов. Поэтому, кроме снижения затраттоплива, подбор режимов работы для которых агромелиоративные икультуртехническиемероприятия(плантаж,глубокоерыхление,фрезерование) наиболее эффективны, позволяет увеличить долговечностьрабочих органов [113].Коэффициент трения почвы зависит от многих факторов, основными изкоторых являются механический состав и влажность.Изменение соотношения твердой, жидкой и газообразной фаз в почвеприводит к изменению сил, действующих в системе «почва-орудие».Следовательно, содержание влаги в почве является одним из ключевыхфакторов, определяющих ее фрикционные свойства.
Влияние влажности накоэффициент трения показан на рисунке 1.5 в главе I. При низкой влажностипочвенная влага мало касается тела и практически не влияет на силу трения,т.е. происходит сухое, трение. Кроме того, при низких влажностях от 0 до8…10% липкость не проявляется и почвенная влага не прилипает к металлу(участок ab), поэтому влияние оказывает только Fтр для которойкоэффициент трения не зависит от влажности. При увеличении влажностипочвы начинают заметнее проявляться силы молекулярного притяжениямежду почвенной влагой и телом, т.е.
наступает фаза внешнего тренияприлипания. Сопротивление скольжению зависит от прилипания:Rпр=k0S+kSN,(3.1.3)где k0 – коэффициент удельного прилипания при отсутствии нормальногодавления, Па; k – коэффициент удельного прилипания, вызываемогонормальным давлением, см-2; S –площадь контакта, см2.Возрастание f на участке bс объясняется появлением и возрастаниемлипкости и сил молекулярного притяжения почвенных частиц к поверхностиметалла. При w≈35% (в зависимости от механического состава почвы)значения коэффициента трения достигают максимума. При дальнейшемувеличении влажности (участок cd) F уменьшается, поскольку уменьшается132липкость, и, кроме того, почвенная влага начинает играть роль смазки.
ЕслиFтр зависит только от величины нормального давления и свойств материаловсоприкасающихся поверхностей, то Rпр оказывает влияние даже без внешнеприкладываемого давления и зависит еще величины площади касания.Для некоторых интервалов влажности почвы Fтр и Rпр действуетсовместно, обе величины проявляются одновременно в виде общегосопротивления F = Fтр + Rпр.Если сумма сил Fтр + Rпр больше, чем предел прочности почвы насдвиг происходит залипание рабочих органов.
Когда сумма сил прилипания итрения почвы о почву становится больше, чем общее сопротивлениеналипших частиц скольжению наблюдается самоочищение.Общеизвестно,чтоследующимпослевлажностифактором,оказывающим существенное влияние на f, является механический составпочвы, а точнее содержание частиц менее 0,1 мм, т.е. физической глины.
Какбыло показано в главе 1, чем меньше размер элементарных частиц почвы,тем больше коэффициент трения (рисунок 1.6). Данный факт полностьюсогласуется с предлагаемым подходом. Зависимость (3.1.1) показывает, чтолипкость прямо пропорциональна удельной поверхности твердой фазы Ω.Следовательно, из формул (3.1.2) и (3.1.3) можно сделать вывод о том, что икоэффициент трения должен быть прямо пропорционален Ω, т.е. содержаниюфизической глины.
Как видно из рисунка 1.6, с ростом процентногосодержания физической глины коэффициент трения увеличивается.К уменьшению F приводит улучшение почвенной структуры. Этообъясняется увеличением пористости, а, следовательно, уменьшениемплощади действительного контакта почвы с поверхностью тела. Поэтому врыхлой, структурированной почве F меньше, чем в плотной.Для быстрого и нетрудоемкого измерения коэффициента трения(покоя/движения)можноиспользоватьприборЖелиговскогоилидинамограф (дисковый прибор измерения трения).Многочисленные измерения различных исследователей показывают,133что при скольжении почвы по стальной полированной поверхности соскоростью 0,4 м/с в интервале давлений 20…100 кПа коэффициент трениялежит в интервалах 0,25…0,35 для сыпучих песчаных и супесчаных почв;0,50…0,7 для связанных песчаных и супесчаных почв; 0,35…0,50 длясуглинистых; 0,40…0,90 для тяжелых суглинков и глины.Послеобобщенияприведенныхфактовможнопользуясьфеноменологическим методом (основывающегося на упрощении, сведениисложного к более простому, обозримому, понимаемому и доступному дляанализа) записать формулу для фрикционных сил, действующих в почве [18].Поскольку при низкой влажности происходит сухое трение, а приувеличении влажности начинает проявляться липкость, f можно разделить надве части.
Одна из них пропорциональна липкости L, которая в свою очередьсвязана с механическим составом почвы через удельную поверхность Ω ифункцию D(w, Π0) описанную в п.3.1.3. Другая часть пропорциональна долетвердой фазы (1-П0), поскольку улучшение почвенной структуры приводит куменьшению силы трения, поверхности контакта с жидкостью w2/3 и (1- βw).f = αΩw2/3(1- βw)(1-П0) + γL,(3.1.4)где f – коэффициент трения; L – липкость; α, β, γ – коэффициенты.3.1.4. Определение соответствия экспериментальным даннымзависимости для трения в почвахЭкспериментальная проверка соотношения (3.1.4) для основных типовпочв ЧР показала, что полученными зависимостями описывается около86,6% экспериментальных данных (представлена на рисунках 3.3 и 3.4).134Рисунок 3.3 – Зависимость коэффициента трения от влажностидля основных типов почв ЧР135Рисунок 3.4 – Зависимость коэффициента трения от влажностидля основных типов почв ЧР1360,61 мм2 ммкоэф.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
