СПОСОБ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЧВУ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН И ОРУДИЙ Российский патент 2014 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, в частности к машинам и орудиям для обработки почвы.

Известен способ энергетической оценки рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий по исходным данным измерения твердости почв, например, твердомерами Ревякина [1], осуществляемый до и после механического воздействия на почву рабочих органов.

Однако данный способ характеризуется неточностью вследствие воздействия определения твердости по диаграмме P=f(h) по его среднему значению на заданной глубине h_c обработки (фиг.1). Это вызвано тем, что вторая фаза (участок АВ) характеризуется нелинейной зависимостью P=f(h) - формированием впереди основания цилиндрического наконечника твердомера конусообразного нароста из «сильно» уплотненной почвы (уплотненное ядро), а третья фаза (участок ВС) отличается тем, что сформировавшееся под цилиндрическим наконечником твердомера уплотненное ядро воздействует на нижние слои почвы, вызывая ее деформацию без существенного увеличения сопротивления Р. Кроме того, этим способом не учитываются массообменные процессы, происходящие в почве при механическом воздействии на нее, т.е. изменение взаимодействия системы «почвенные частицы - почвенный воздух - почвенная влага».

Известен способ оценки механического воздействия обрабатывающих почву рабочих органов машин и орудий по измерениям энергетического состояния почвенной влаги до и после механического воздействия на нее [2], основанный на определении таких основных гидрофизических характеристик почвы [3] как удельная поверхность твердой фазы, удельная поверхность конденсированной фазы, коэффициент влагопроводности, потенциал влаги пористых материалов.

Однако, известный способ характеризуется тем, что отражает относительное изменение энергии, происходящей в почве в результате механического воздействия, т.е. учитывает относительное влияние массообменных процессов в почве до и после механического воздействия на ее. Причем работа, расходуемая на деформацию и перемещение массы обрабатываемой почвы (разрушение, переориентация почвенных комков и т.д.) не учитывается. Кроме того, поскольку измерение основных гидрофизических характеристик осуществляется на образце почвы, взятом в механически обрабатываемом слое, то на границе раздела атмосфера - почва изменение энергии равно нулю, а в самом слое почвы имеет вполне конкретное значение. Отсюда следует, что изменение энергии при механическом воздействии будет в среднем два раза меньше, чем предложено в известном способе [2].

Цель изобретения - повышение точности энергетической оценки механического воздействия обрабатывающих почву рабочих органов машин и орудий.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе энергетической оценки механического воздействия обрабатывающих почву рабочих органов машин и орудий, включающем измерение твердости почвы, определение удельной поверхности твердой фазы, удельной поверхности конденсированной фазы, коэффициента влагопроводности, пористости и потенциала влаги для пористых материалов до и после механического воздействия на почву рабочих органов, согласно изобретению определяют потенциал деформируемости почв, представляющий собой отношение энергии, затраченной на деформацию и массообменные процессы в единице массы почвы в конкретных условиях ее залегания. Потенциал деформируемости почв при механическом воздействии на нее рабочих органов рассчитывают по выражению

$$\varphi =-\left(\frac{E_1}{m_{n3}}-\frac{A_1}{m_{n1}}\right)+\left(\frac{E_2}{m_{n4}}-\frac{A_2}{m_{n2}}\right),\left(1\right)$$

где A₁, A₂ - механическая энергия, затраченная соответственно на деформацию почвы при тестировании твердомером до и после ее обработки, Дж;

m_n1, m_n2 - соответственно масса деформированной почвы при тестировании твердомером до и после ее обработки, кг;

E₁, Е₂ - свободная энергия Гиббса, характеризующая состояние влаги в почве и тем самым определяющая энергию связей между подвижными почвенными частицами в образце почвы до и после воздействия на нее рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, Дж;

m_n3, m_n4 - соответственно масса почвы в образце, взятом на тестируемом участке до и после механической обработки в тех же точках, где участок тестируется твердомером, кг.

В формуле (1) противоположные знаки слагаемых E₁ и А₁, а также Е₂ и А₂ показывают, что энергия связей между подвижными почвенными частицами в образце почвы после воздействия на нее рабочих органов возрастает, а работа, затрачиваемая на механическую деформацию почвы, уменьшается.

Первое слагаемое в выражении (1), представляющем собой механическую энергию, затраченную на деформацию единицы массы почвы при тестировании твердомером до ее механической обработки, определяют из соотношения

где P_a1 - усилие, определяемое на участке OA прямой пропорциональности диагаммы P=f(h) (см. фиг.1), Н;

h_a1 - глубина погружения цилиндрического наконечника твердомера, соответствующая величине P_a1 и определяемая также по диаграмме P=f(h), м;

m_n1=ρ_v1·V₁=ρ_s(1-П₁)V₁ - масса почвы, деформированная цилиндрическим наконечником твердомера до ее механической обработки, кг;

ρ_v1=ρ_s(1-П₁) - объемная масса почвы (в естественных условиях величина переменная и зависящая от исходной влажности, набухания, усадки почвы и т.д.), выраженная через пористость П₁ и плотность ρ_s твердой фазы почвы, кг/м³;

V₁ - объем почвы, деформированной цилиндрическим наконечником твердомера на участке прямой пропорциональности диаграммы Р=f(h) и соответствующий значениям P_a1 и h_a1, м³.

Плотность твердой фазы ρ_s представляет собой отношение массы твердой фазы к единице объема той же фазы почвы. Она зависит от состава твердой фазы, включающей в себя минеральную, органическую и органно-минеральную части, а также вторичные глинистые минералы, и остается инвариантной до, во время и после механического воздействия рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий. Поэтому при механическом воздействии на почву рабочих органов изменяется пористость П₁ почвы и ее объемная масса ρ_v1.

В основу способа определения пористости П₁ почвы положено изотермическое расширение воздуха, содержащегося в порах в вакуум в образцах почвы ненарушенного сложения, взятых на тестируемом участке до ее механической обработки. Пористость П₁ почвы до ее механической обработки определяют по выражению

$${П}_1=\frac{V_{coc2}\left[{\left(\frac{P_2}{P\text{'}\text{'}}\right)}^{1/\gamma }-{\left(\frac{P_2}{P\text{'}}\right)}^{1/\gamma }\right]+V_{воды1}}{V_{об1}},\left(3\right)$$

где V_coc2 - объем герметического сосуда без образца почвы, м³;

P₂ - разрежение воздуха в герметическом сосуде без образца почвы, создаваемое вакуумным насосом, Па;

Р′′ - давление в системе (герметический сосуд с образцом почвы - герметический сосуд без образца почвы) после соединении сосудов при помощи соединительных шлангов и краны между собой, Па;

Р′ - давление в системе (герметический сосуд с непористым материалом - герметический сосуд без образца почвы) после соединении сосудов при помощи тех же соединительных шлангов и краны между собой (тем самым определяется паразитный объем, включающий в себя объем соединительных шлангов и внутренний объем вакуумметра, Па;

γ - коэффициент Пуассона для воздуха, равный 1,4;

V_воды1 - объем влаги, содержащейся в почве (определяется методом сушки образца почвы), м³;

V_об1 - объем образца почвы ненарушенного сложения, помещаемого в герметический сосуд, м³.

Объемную массу ρ_v1 почвы определяют по выражению

$${\rho }_{V1}=\frac{m_{n3}}{V_{об1}},\left(4\right)$$

где m_n3 - масса образца почвы ненарушенного сложения, взятого на тестируемом участке до механической обработки, и определяемая путем взвешивания на весах, кг.

Затем по известным значениям p_vl и П₁ определяют плотность p_s твердой фазы почвы

$${\rho }_s=\frac{{\rho }_{V1}}{1-{П}_1}.\left(5\right)$$

Следует отметить, что зона распространения деформаций вглубь почвы при воздействии на нее цилиндрическим наконечником твердомера ограничена плоскостью, образующей с поверхностью почвы угол 60° (так называемый способ 60°, см. например Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин и орудий М.: Машиностроение, 1977, с.43). Поэтому объем V₁ почвы, деформированной цилиндрическим наконечником твердомеpa на участке прямой пропорциональности диаграммы P=f(h) (см. фиг.1), определяется по выражению

где d₁ - диаметр цилиндрического наконечника твердомера, м;

h_a1 - глубина погружения цилиндрического наконечника твердомера, определяемая по экспериментальной диаграмме Р=f(h) на тестируемом участке, м.

Подставив полученные из эксперимента значения Р_а1, h_al, ρ_s, П₁ и V₁ в выражение (2), определяют механическую энергию, затраченную на деформацию единицы массы почвы при тестировании твердомером до ее механической обработки. Примеры реализации способа определения φ₁ приведены в табл.1.

Второе слагаемое в выражении (1), представляющее собой энергию, затрачиваемую на массообменные процессы в единице массы почвы в образце до воздействия рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, определяют из соотношения

где $$E_1^{\text{'}}$$ - удельная энергия, затрачиваемая на массообменные процессы в образце почвы до механического воздействия на нее рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, определяемая по формуле В.В.Сироткина и В.М.Сироткина [2,3], Дж/м³;

$$E_1^{\text{'}\text{'}}$$ - удельная энергия, затрачиваемая на массообменные процессы на границе раздела атмосфера-почва; с точностью для практических расчетов можно принять, что $$E_1^{\text{'}\text{'}}\approx 0$$ ; если образцы почвы на тестируемом участке отбираются на разных глубинах, например при ярусной обработке, то величина $$E_1^{\text{'}\text{'}}$$ имеет вполне конкретное значение и отличается от нуля;

σ_lg1 - удельная свободная поверхностная энергия на границе раздела вода - воздух, Дж/м²;

Ω_o1 - объемная удельная поверхность твердой фазы почвы, м²/м;

W₁ - объемная влажность почвы, в долях;

П₁ - пористость почвы, в долях;

m_n3 - масса почвы в образце, взятом на тестируемом участке до механической обработки, кг;

V_об1 ^_ объем образца почвы ненарушенного сложения до ее механической обработки, м³;

ρ_v1 - объемная масса почвы до ее механической обработки, кг/м³.

Экспериментальное определение величин σ_lg1, Ω_o1, W₁, П₁ и ρ_V1, входящих в соотношение (7), осуществляется на образце почвы ненарушенного сложения до ее механической обработки по методике, изложенной в [2, 3].

Подставив полученные из эксперимента значения σ_lg1, Ω_o1, W₁, П₁, ρ_V1 в выражение (7), определяют энергию, затрачиваемую на массообменные процессы в единице массы почвы в образце до воздействия рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий. Примеры реализации способа определения φ₂ приведены в табл.2.

Третье слагаемое в выражении (1), представляющее собой механическую энергию, затраченную на деформацию единицы массы почвы при тестировании твердомером после ее механической обработки, определяют из соотношения

где Р_а2 - усилие, определяемое на участке OA прямой пропорциональности диаграммы P=f(h) (см. фиг.1), полученной при тестировании твердомером после механической обработки почвы, Н;

h_a2 - глубина погружения цилиндрического наконечника твердомера, соответствующая величине Р_а2 и определяемая также по диаграмме P=f(h), м;

m_n2=ρ_v2·V₂=ρ_s(1-П₂)V₂ - масса почвы, деформированная цилиндрическим наконечником твердомера после ее механической обработки, кг;

ρ_v2=ρ_s(1-П₂) - объемная масса почвы, выраженная через пористость П₂ и плотность p_s твердой фазы почвы, кг/м³;

V₂ - объем почвы, деформированная цилиндрическим наконечником твердомера на участке прямой пропорциональности диаграммы P=f(h) и соответствующая значениям Р_a2 и h_a2, м³.

Пористость П₂ почвы после ее механической обработки определяют по выражению, аналогичному формуле (3)

$${П}_2=\frac{V_{coc2}\left[{\left(\frac{P_2}{P\text{'}\text{'}}\right)}^{1/\gamma }-{\left(\frac{P_2}{P\text{'}}\right)}^{1/\gamma }\right]+V_{воды2}}{V_{об2}},\left(9\right)$$

где V_coc2 - объем герметического сосуда без образца почвы, м³;

Р₂ - разрежение воздуха в герметическом сосуде без образца почвы, создаваемое вакуумным насосом, Па;

Р′′ - давление в системе (герметический сосуд с образцом почвы после ее механической обработки - герметический сосуд без образца почвы) после соединении сосудов при помощи тех же соединительных шлангов и крана между собой (примененных при исследовании почвенного образца до ее механической обработки), Па;

Р′ - давление в системе (герметический сосуд с непористым материалом - герметический сосуд без образца почвы) после соединении сосудов при помощи тех же соединительных шлангов и крана между собой, Па;

γ - коэффициент Пуассона для воздуха, равный 1,4;

V_воды2 - объем влаги, содержащейся в почве после ее механической обработки (определяется методом сушки образца почвы), м³;

V_об2 - объем образца почвы (после ее механической обработки), помещаемого в герметический сосуд, м³.

Объемную массу ρ_v2 почвы после ее механической обработки определяют по выражению

$${\rho }_{V2}=\frac{m_{n4}}{V_{об2}},\left(10\right)$$

где m_n4 - масса образца почвы ненарушенного сложения, взятого на тестируемом участке после ее механической обработки и определяемая взвешиванием на весах, кг.

Далее по известным значениям ρ_v2 и П₂ определяют плотность ρ_s твердой фазы почвы

$${\rho }_s=\frac{{\rho }_{V2}}{1-{П}_2}.\left(11\right)$$

Объем V₂ почвы, деформированной цилиндрическим наконечником твердомера на участке прямой пропорциональности диаграммы З=f(h) (см. фиг.1), полученной при тестировании твердомером после механической обработки почвы, определяется по выражению

где d₂ - диаметр цилиндрического наконечника твердомера, м;

h^a2 - глубина погружения цилиндрического наконечника твердомера, определяемая по экспериментальной диаграмме P=f(h), полученной на тестируемом участке после его механической обработки, м.

Подставив полученные из эксперимента значения P_a2, h_a2, ρ_s, П₂ и V₂ в выражение (8), определяют механическую энергию, затраченную на деформацию единицы массы почвы при тестировании твердомером после ее механической обработки. Примеры реализации способа определения φ₃ приведены в табл.3.

Четвертое слагаемое в выражении (1), представляющее собой энергию, затрачиваемую на массообменные процессы в единице массы почвы в образце после механического воздействия рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, определяют из соотношения

где $$E_2^{\text{'}}$$ - удельная энергия, затрачиваемая на массообменные процессы в образце почвы после механического воздействия на нее рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, Дж/м,

$$E_2^{\text{'}\text{'}}$$ - удельная энергия, затрачиваемая на массообменные процессы на границе раздела атмосфера-почва, принимаемая $$E_2^{\text{'}\text{'}}\approx 0$$ ;

σ_lg2 - удельная свободная поверхностная энергия на границе раздела вода - воздух, Дж/м²;

Ω_o2 - объемная удельная поверхность твердой фазы почвы, м²/м³;

W₂ - объемная влажность почвы, в долях;

П₂ - пористость почвы, в долях;

m_n4 - масса почвы в образце, взятом на тестируемом участке после механической обработки, кг;

V_об2 - объем образца почвы «ненарушенного сложения» после ее механической обработки, м³;

ρ_V2 - объемная масса почвы после ее механической обработки, кг/м³.

Экспериментальное определение величин a_lg2, Ω₀₂, W₂, П₂ и ρ_V2, входящих в соотношение (13), осуществляется на образце почвы «ненарушенного сложения» после ее механической обработки.

Подставив полученные из эксперимента значения a_lg2, Ω₀₂, W₂, П₂, ρ_V2, в выражение (13), определяют энергию, затрачиваемую на массообменные процессы в единице массы почвы в образце после механического воздействия рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий. Примеры реализации способа определения φ₄ приведены в табл.4.

Технико-экономическое преимущество предложенного способа заключается в повышении точности энергетической оценки механического воздействия обрабатывающих почву рабочих органов, позволяющее оценить энергоемкость механической обработки почвы по значениям (φ₂-φ₁) и эффективность применения тех или иных рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий как при их рекогносцировочных испытаниях, так при эксплуатации в производственных условиях по значениям

φ=-(φ₂-φ₁)+(φ₄-φ₃).

Способ может быть использован научно-исследовательскими и производственными организациями при проектировании, исследовании и эксплуатации рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий.

Примеры реализации способа приведены в сводной табл.5.

Источники, принятые во внимание в заявке

1. Кленин Н.И., Сакун В.А. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. - М.: Колос, 1994, С.13-17.

2. Сироткин В.В., Сироткин В.М. Прикладная гидрофизика почв. - Чебоксары, 2001, 252 с.

3. Патент РФ №2230308, G01N 15/08 Аэродинамический способ определения удельной поверхности твердой фазы, удельной поверхности конденсированной фазы, коэффициента влагопроводности, потенциала влаги для однородных пористых материалов и устройство для его реализации. В.В.Сироткин, В.М.Сироткин Опубл. 10.06.2004, Бюл. №16.

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, в частности к машинам и орудиям для обработки почвы и может найти применение научно-исследовательскими и производственными организациями при проектировании, исследованиях и эксплуатации рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий. Сущность: определяют потенциал деформируемости почв, представляющий собой отношение энергии, затраченной на деформацию и массообменные процессы к единице массы почвы в конкретных условиях ее залегания, по формуле

$$\varphi =-\left(\frac{E_1}{m_{n3}}-\frac{A_1}{m_{n1}}\right)+\left(\frac{E_2}{m_{n4}}-\frac{A_2}{m_{n2}}\right),\left(1\right)$$

где А₁, А₂ - механическая работа, затраченная соответственно на деформацию почвы при тестировании твердомером до и после ее обработки, Дж; m_n1, m_n2 - соответственно масса деформированной почвы при тестировании твердомером до и после ее обработки, кг; E₁, Е₂ - свободная энергия Гиббса, характеризующая состояние влаги в почве и тем самым определяющая энергию связей между подвижными почвенными частицами в образце почвы до и после воздействия на нее рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, Дж; m_n3, m_n4 - соответственно масса почвы в образце, взятом на тестируемом участке до и после механической обработки, кг. В указанной формуле противоположные знаки слагаемых E₁ и А₁, а также Е₂ и А₂ показывают, что энергия связей между подвижными почвенными частицами в образце почвы после воздействия на нее рабочих органов возрастает, а работа, затрачиваемая на механическую деформацию почвы, уменьшается. Измерение входящих в формулу физических величин, таких как усилие на участке прямой пропорциональности диаграммы P=f(h), глубина погружения цилиндрического наконечника твердомера производят твердомером на тестируемом участке до и после механического воздействия на почву рабочих органов. Измерения физических величин, таких как плотность твердой фазы почвы, пористость, удельная свободная, поверхностная энергия на границе раздела вода-воздух, объемная удельная поверхность твердой фазы почвы, объемная влажность и объемная масса почвы производят на одних и тех же образцах почвы ненарушенного сложения, отобранных на тестируемом участке соответственно до и после механической обработки в тех же точках, участок тестировался твердомером. Техническим результатом является повышение точности энергетической оценки механического воздействия обрабатывающих почву рабочих органов машин и орудий. 1 ил., 5 табл.

Способ энергетической оценки воздействия на почву рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, включающий измерения твердости почв, определение удельной поверхности твердой фазы, удельной поверхности конденсированной фазы, коэффициента влагопроводности, пористости и потенциала влаги до и после механического воздействия на почву рабочих органов, отличающийся тем, что определяют потенциал деформируемости почв, представляющий собой отношение энергии, затраченной на деформацию и массообменные процессы в единице массы почвы в конкретных условиях ее залегания, по формуле
$$\varphi =-\left(\frac{E_1}{m_{n3}}-\frac{A_1}{m_{n1}}\right)+\left(\frac{E_2}{m_{n4}}-\frac{A_2}{m_{n2}}\right)$$ ,
,
,
,
,
А₁, А₂ - механическая энергия, затраченная соответственно на деформацию почвы при тестировании твердомером до и после ее обработки, Дж;
m_n1, m_n2 - соответственно масса деформированной почвы при тестировании твердомером до и после ее обработки, кг;
E₁, Е₂ - свободная энергия Гиббса, определяющая энергию связей между подвижными почвенными частицами в образце почвы до и после воздействия на нее рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, Дж;
m_n3, m_n4 - соответственно масса почвы в образце, взятом на тестируемом участке до и после механической обработки в тех же точках, где участок тестируется твердомером, кг;
Р_a1, P_а2 - соответственно усилия, определяемые на участке OA прямой пропорциональности диаграммы P=f(h) при тестировании участка твердомером до и после механической обработки, Н;
h_a1, h_а2 - соответственно глубины погружения цилиндрических наконечников твердомера, соответствующая величине P_a1 и Р_a2, и определяемая также по диаграмме Р=f(h), м;
ρ_s - плотность твердой фазы почвы, кг/м³;
П₁, П₂ - соответственно пористость почвы на тестируемом участке до и после механической обработки, в долях;
V₁, V₂ - соответственно объемы почвы, деформированные цилиндрическими наконечниками твердомера на участке OA прямой пропорциональности диаграммы Р=f(h) и соответствующие значениям Р_а1, Р_а2, h_a1, h_a2, м³;
σ_lg1, σ_lg2 - соответственно удельные свободные поверхностные энергии на границе раздела вода - воздух в образцах почвы, взятых на тестируемом участке до и после механической обработки, Дж/м²;
Ω₀₁, Ω_о2 - соответственно удельные поверхности твердой фазы почвы, определенные на тестируемом участке до и после механической обработки, м²/м³;
W₁, W₂ - соответственно объемные влажности почвы на тестируемом участке до и после механической обработки, в долях;
ρ_V1, ρ_V2 ^_ соответственно объемные массы почвы на тестируемом участке до и после ее механической обработки, кг/м³;
$$E_1^{\text{'}}$$ - удельная энергия, затрачиваемая на массообменные процессы в образце почвы до механического воздействия на нее рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, Дж/м³;
$$E_1^{\text{'}\text{'}}$$ - удельная энергия, затрачиваемая на массообменные процессы на границе раздела атмосфера-почва;
$$V_{об1}$$ ^_ объем образца почвы ненарушенного сложения до ее механической обработки, м³.