Особенности моделирования и расчет конструкции рыхлителя-кротователя в условиях Туркменистана

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны оптимальные параметры аэрационного дренажа и глубокорыхлителя. Обоснована технология нарезки аэрационного дренажа и рыхления подпахотного слоя глубокорыхлителем, которая позволяет улучшить агротехнические показатели работы используемого оборудования при наименьших затратах. Технико-экономические расчёты показали, что нарезка аэрационного дренажа позволяет снизить расходы по эксплуатации техники до 30%, обеспечить оптимальной водно-воздушной режим почв в условиях аридной зоны и повысить урожайность хлопчатника до 10 ц/га.

On the basis of theoretical and experimental researches optimum parameters of drainage aeration and chisel plow are developed. The technology of cutting drainage aeration and loosening of subsurface by means of chisel plow which allows to improve work agrotechnical indicators used equipment at the least expenses is proved. Technical and economic calculations have shown, that cutting drainage aeration allows to reduce expenses on technics operation up to 30%, to provide optimum of soils water-air regime in the conditions of arid zone and raise cotton productivity up to 10 centner\hectares.

Моделирование технологий в растениеводстве рассмотрено в работах А.Б. Лурье, М.С. Рунчева, Э.И. Липковича, П.Н. Бурченко, Г.П. Варламова, М.Е. Демидко, В.Я. Зельцера, А.В. Четвертакова, Ю.А. Уткова, А.А.Никонова, Н.Н. Походенко, В.И. Могоряну, Т.Е. Малофеева, А.М. Гатаулина и др. Анализ этих работ показал, что они в принципе аналогичны синтезу системы отображения массива данных через однородные порции, используемого в работах В.А. Вейника, Н.П. Бусленко, В.Ф. Венды, Е.Г. Гольштейна, В.В. Налимова, Н.Н. Моисеева, М.П. Перетятькина, И.И. Кандаурова, А.Н. Зеленина, В.И. Баловнева, И.П. Керова, С. Директора, Р.Рорера, Джозефа Р. Шенфилда, Кеннета Кюнена и др. Указанными исследованиями доказано, что моделированию может быть подвержена любая проблема любой системы, если массив данных о процессах, протекающих в системе, отобразить через основной процесс, обратные связи и ограничения. Этот принцип был положен в основу разработки комплексов машин. Однако методы отображения информации в конкретных механизированных технологиях до сих пор не носят обобщающего характера [4]. Особенно это относится к технологиям аэрационного дренажа в условиях аридной зоны. С целью углубления теоретических основ для создания и совершенствования орудий отмечена необходимость развития исследований в пределах системы «почва-рабочий орган-энергия».

Обзор и анализ существующих конструкции аэрационного дренажа свидетельствует об эффективности его применения на тяжелых почвах [3,5,6,11]. Особенно положительное воздействие на качественный характер почвы оказывает аэрационный дренаж на староорошаемых землях, подверженным многократным проходам сельскохозяйственной техники, приводящей к образованию уплотненной подплужной зоны. Принципиальная схема конструкции аэрационного дренажа представлена на рисунке 1. Важно отметить, что в процессе нарезки аэрационного дренажа данной конструкции кротовины склонны к заилению за счет фильтрационного потока через щель, сформированную ножом рыхлителя-кротователя. Основным недостатком данных конструкции является формирование кротовин непосредственно под щелью, что весьма неэффективно из-за плохой устойчивости свода кротовин фильтрационному потоку [13]. Кроме того, рабочие органы, применяемые для нарезки дрен, имеют большие тяговые усилия, в результате образования пластично-упругих деформаций грунта в нижней части ножа, о чем свидетельствуют также результаты исследований А.Н. Зеленина [12]. В этой зоне грунт, вытесняемый рабочим органом, выдавливается в боковые стенки щели, не разрушая его к дневной поверхности. Критическая глубина резания рабочими органами данного типа определяет значительные тяговые усилия базовых машин [3]. Поэтому нарезка аэрационного дренажа в зоне орошаемого земледелия не нашла широкого применения.

Наряду с этим формирование уплотненной околодренной зоны снижает коэффициент фильтрации. Процесс полива приводит к разрушению структурных связей в результате набухания грунта плужной уплотненной зоны. Рассмотрим принципиальную схему конструкции аэрационного дренажа. Предположим, что дренер в процессе формирования кротовин образует уплотненное ядро придренной зоны толщиной - t.

Максимальное значение гидродинамического давления будет наблюдаться по линии щели и уплотненной зоны.

Первые опыты по фильтрации, проведенные А. Дарси показали, что при ламинарном движении, расход воды определяется по зависимости:

Q =k_φ F (H/l) (1)

где: Q – расход воды, м³/с;

k_φ – коэффициент пропорциональности, м/с;

F – площадь поперечного сечения, м²;

H – разность отметок уровней воды, м;

l – высота, длина фильтрации, м.

Рис. 1. Схема поступления промывной воды в дрену

H/ l = i (2)

где: i – гидравлический градиент фильтрации.

Q / F = V_φ (3)

где: V_φ – скорость фильтрации воды.

Вода при фильтрации в грунт преодолевает все виды гидравлических сопротивлений: лобовое сопротивление обтекаемых ею твердых частиц; сопротивление трению о частицы в порах. Данные сопротивления являются тормозящими силами и на их преодоление расходуется напор. Суммарная тормозящая сила равна и прямопротивоположна силе действия на частицы грунта движущейся воды. Данную силу принято называть гидродинамическим или фильтрационным напором.

Известны решения по определению гидродинамического давления на основе применения уравнения Даламбера.

В случае притока в кротовую дрену (рис.1.) можно определить силу инерции фильтрационного потока в объеме:

i = = (4)

где: - плотность воды;

- гравитационное ускорение;

– пористость грунта;

/ - ускорение движения воды;

dV_φ /dt - ускорение фильтрации.

Тормозящая сила движению воды равна:

T = (5)

где: T - тормозящая сила;

- тормозящая сила в единице объема;

- объем грунта.

Искомое уравнение получим проектируя силы на направление фильтрации:

H_BF - H_HF + (/) aφ - = 0 (6)

Из уравнения (5) тормозящая сила в единице объема равна:

= (7)

Исходя из этого, что гравитационное ускорение на много порядков выше фильтрационного, им в расчетах принебрегают.

Тогда:

= (8)

Гидродинамическое давление по величине равно тормозящей силе:

= d_φ или (9)

d_φ = (10)

Учитывая то, что = const; = const, то гидродинамическое давление определяется величиной гидравлического градиента.

Исходя из этого, что приток воды в дрену происходит по ее всему периметру, то можно предположить, что плотность скелета гидродинамически взвешенного грунта будет равна:

= - d_φ (11)

где: – эффективная плотность скелета грунта.

= (12)

где: e – коэффициент пористости;

- плотность твердых частиц грунта,

тогда:

= - (13)

или

= [(] - (14)

Анализ зависимости = - d_φ показывает, что вынос частиц грунта (суффозия) будет тогда, когда d_φ . При значительном превышении гидродинамического давления / d_φ / над / / , то грунт околодренной зоны переходит в плывунное состояние.

Таким образом, при выборе конструкции аэрационного дренажа необходимо исходить из условия, что эффективная плотность грунта должна быть соизмерима по величине гидродинамическому давлению. При этом для увеличения устойчивости дрен необходимо принять меры по снижению гидродинамического давления.

Величину гидродинамического давления определим по формуле:

P_i = _i / S (15)

где: _i - гидродинамическая сила;

S – площадь поверхности ядра, на которую действует гидродинамическая сила.

_i = V J_P (16)

где: V - объем грунтовый арки (ядра);

- плотность воды;

J_P – разрушающий градиент напора.

S = D² (17)

Объем грунтовой арки равен:

V = D² t (18)

где: t – толщина арки,

тогда:

_{i =} D² t J_P (19)

Представляя значения V, _i и S в исходное уравнение, получим равенство:

P_i = t J_P (20)

Как видно из равенства (20) значение гидродинамического давления прямо пропорционально толщине уплотненного ядра гидравлическому градиенту. Гидродинамическое давление способствует выносу частиц грунта в процесс фильтрационного потока из толщи арки, приводя ее к разрушению.

Тогда несущую способность грунтовой арки можно выразить следующим уравнением:

[&#�;&#�;] = (21)

где: [&#�;&#�;] – допустимое напряжение свода грунта арки, (допустимое напряжение свода [&#�;&#�;] грунта арки принимаем равным сопротивлению грунта размыву (С_Р);

- радиус наружной поверхности арки.

Подставив значение - P_i в уравнение (21) получим:

С_Р = J_P (22)

Таким образом, сопротивление грунта размыву в основном зависит от градиента, т.е. градиент напора играет основную роль в определении устойчивости дрен и величины радиуса наружной поверхности арки.

Следовательно, для увеличения устойчивости дренажной стенки необходимо снизить градиент напора.

Градиент напора определяется по зависимости:

J₁ = / L (23)

где: – разность напоров;

L - длина пути фильтрации.

Зависимость (23) показывает, что уменьшение градиента гидравлического напора получаем при увеличении длины пути фильтрации – L при постоянном значении -.

Увеличение длины фильтрации возможно путем увеличением толщи грунта околодренной зоны, или смещением дренажной полости от оси щели. Во втором случае наряду с увеличением пути фильтрации, происходит гашение энергии фильтрационного потока за счет резкого изменения направления движения потока (рис.2).

Рис.2. Схема поступления промывной воды в смещенную дрену

В данном случае градиент напора можно определить по формуле:

J₂ = (24)

где: – дополнительная длина пути фильтрационного потока.

Сравнение гидравлических градиентов J₁ и J₂ показывает, что смещение дренажной полости от оси ножевой щели приводит к снижению величины гидравлического градиента. Определение оптимального значения позволить повысить устойчивость полости аэрационного дренажа, без снижения эффективности его работы.

В случае прокладки двух параллельных аэрационных дрен, где длина междренной зоны равна степень уплотнения будет зависеть от диаметра аэрационных дрен, междренного расстояния и влажности грунта (рис.3).

Для данного случая закон уплотнения можно сформулировать в следующем виде:

ak = - ak dL (25)

где: а – коэффициент пропорциональности, зависящий от основных параметров рабочего органа и физико-механических свойств грунта (знак /-/ указывает на то, что с увеличением междренного расстояния уплотнение грунта уменьшается);

k – снижение уплотнения грунта.

Рис. 3. Схема поступления промывной воды в смещенные дрены

Примем ak = α , тогда:

α = - α dL (26)

Интегрируя равенство в пределах от k₀ до k и от L₀ до L получим:

ln k - ln k₀ = - α L, (27)

откуда

k = k₀ ^-αL (28)

Таким образом, степень уплотнения грунта зависит от междренного расстояния аэрационных дрен. Известно, что при устройстве закрытой выработки с удалением грунта на большой глубине от уровня земли, поверхности скалывания не распространяются на всю толщу грунта, а соединяются между собой, образуя естественный разгружающей свод. Разгружающий свод очерчивается по параболе [14]. Применив данное предположение к аэрационной дрене, определим основные нагрузки, действующие на свод кротовой полости (рис.4).

При условии предельного равновесия для половины разгружающего свода (рис.5) запишем систему уравнений:

∑ x = 0 H = T = fV

∑ y = 0 V = (29)

∑ M_A = 0 - Hh_c = 0

где: H – реакция отброшенной половины свода;

V и T – составляющая опорной реакции свода;

T – сила трения:

T = f V (30)

где: f –коэффициент внутреннего трения грунта.

Пролет В – разрушающего свода определяем:

В = D₁ + 2 tg (45⁰ - ) = D₁ [ 1 + tg (45⁰ - ] (31)

где: D₁ – диаметр полости кротовины;

φ – угол внутреннего трения.

Из условия равновесия получим:

h_c = = = = (32)

Известно, что при формировании кротовин имеем устойчивое равновесие, т.е. исходя из этого:

H = T – S (33)

Из уравнений равновесия находим:

h_c = = (34)

Из уравнений (30), (32), (33) определяем силу – S:

S = - (35)

а приравняв производную нулю, имеем:

h_c = (36)

Ввиду того, что данное решение применимо для связных грунтов, то коэффициент - f является коэффициентом сопротивления сдвигу уплотняющей суммарное действие внутреннего трения и сцепления и носит название коэффициент крепости грунта - f_кр :

f_кр = f + (37)

где: с – удельное сцепление;

&#�;&#�; – снижающее напряжение, при котором определяется сопротивление

связного грунта сдвигу.

Таким образом, конструкцию аэрационного дренажа следует оценивать конструкционной прочностью и фильтрационной устойчивостью. При этом устойчивость кротовых дрен в работе определяются: эффективной плотностью скелета грунта, ; гидродинамическим давлением; конструкционной прочностью свода кротовой дрены. Моделирование работы аэрационного дренажа свидетельствует о том, что интенсивность поступления воды в дрену определяется коэффициентом фильтрации и водоотдачи наддренного слоя грунта, из которого происходит сброс гравитационной воды.

Это дало возможность предложить новую конструкцию аэрационного дренажа. Предлагаемая конструкция аэрационного дренажа включает две параллельные дренажные полости, сформированные в монолите грунта естественной структуры. Сохранение естественной структуры грунта вокруг дрены обеспечивает достаточную водозахватную способность и эксплуатационную надежность. Для удовлетворения изложенных требований нами были разработаны специальные, универсальные рыхлители-кротователи новой конструкции, защищенные авторским свидетельством №1751263 [1]. Для рыхления подпахотного уплотненного слоя теоретически и экспериментально исследованы и разработаны оптимальные параметры рыхлителя-кротователя. Для улучшения качество прокладки и эффективности работы аэрационного дренажа рекомендуется производить по направлению вспашки, т.е. по линии поливных борозд. Агромелиоративный универсальный кротователь-рыхлитель новой конструкции позволил нарезать скошенные дрены смещенными относительно нож-стойки. При этом стенки кротовин имели плотное сложение (1,5-1,74 г\см³), т.к. разрушение и смежные грунта в процессе формирования кротовин происходит к центру проходки. Практически наружные стенки кротовин имели плотность грунта равную монолиту, а внутренние стенки были уплотнены от 1,5 - до 1,6 г\см³.

Исследования показали, что в процессе нарезки кротовин плотность грунта околодренной зоны по величине практически не отличалась от плотности монолита грунта. Полости дрен были весьма устойчивы. Качество рыхления проверялось раскрытием зоны разрушения поверхности грунта за проходом рабочего органа. Установлено, что за проходом сплошного ножа, разрушение грунта происходит в виде комьев до критической глубины резания, в данном случае до 0,4 м, а в нижней части происходит трещинообразование. При работе ступенчатого рыхлителя разрушение грунта происходит на всю глубину резания. Однако, следует отметить, что при этом ширина разрушаемой полосы меньше на 10 см по сравнению со сплошным ножом.

Высокая эффективность этой агромелиоративного приема объясняется повышением водопроницаемости и инфильтрационных свойств почвогрунтов вследствия улучшения водно-физических свойств почв.

Анализ образцов грунта на плотность, влажность, питательный режим и солевой состав проводился Байрамалийской почвенно-химической станцией, а также в аналитической лаборатории ИМиВП АСХНТ. Раскопки дрен позволили прийти к выводу, что в почвах с тяжелым механическим составам (70-90% глины), основной приток к дренам происходил через наружные стенки, т.к. коэффициент фильтрации грунта в междренном пространстве был менее чем в монолите. Однако, благодаря наличию двух спаренных кротовин, интенсивность поступления воды в дрены была значительно больше чем в одиночные дрены. Следует отметить, что при данной конструкции аэрационного дренажа количество воды, отводимой дренажем по сравнению с притоком воды непосредственно через щель в дрену, уменьшилась (до 0,08-0,27 м\сут.) и практически определялось фильтрационными способностями грунта. Благодаря такой конструкции аэрационного дренажа, схема притока воды к дренам значительно изменилась, что позволило снизить градиент напора, а следовательно, и предотвратить суффозионный вынос частиц грунта.

Заключение

Технология нарезки аэрационного дренажа разработана с учетом грунтовых условий и биологических требований к развитию корневой системы хлопчатника, которая основана на разрыхления подпахотных слоев и нарезке в монолите грунта перпендикулярно основному дренажу водоаккумулирующих кротовых спаренных дрен на глубину 500-600 мм и на расстояния 600-900 мм.

Конструкции устройства нарезки аэрационного дренажа прошли ведомственные приемочные испытания Госагропрома Туркменистана. С 1990-1994г.г. на объектах хлопководческих хозяйств выполнен аэрационного дренажа на площади более 60 тыс. га. За истекший период внедрено более 60 кротователей.

При этом значительно улучшается экологическая обстановка, сокращается поливная и промывная норма до 30%, предотвращаются повышения уровня грунтовых вод и процесс вторичного засоления. Для осуществлений нарезки аэрационного дренажа разработана конструкции рабочего оборудования НАД-2-60, которая в 1990 году рекомендована к широкому внедрению в хозяйствах республики.

Следовательно, для нарезки аэрационного дренажа и рыхления подпахотного уплотненного слоя теоретически и экспериментально исследованы и разработаны оптимальные па­раметры аэрационного дренажа и глубокорыхлителя. Обоснована технология нарезки аэрационного дренажа и рыхления подпахотного слоя глубокорыхлителем; которая позволяет улучшить агротехнические пока­затели работы орудий при наименьших затратах. Технико-экономические расчеты показали, что нарезка аэрационного дренажа позволяет снизить эксплуатационные расходы до 30%, обеспечить оптимальной водно-воздушной режим почвы в аридной зоне и повышает урожайность хлопчатника до 10 ц\га.

Литература:

1. А.с. 1751263 /СССР/. Устройство для нарезки кротовин /Хоммадов К., Данатаров А. –Москва. 1992. Бюл.№28.

2. Аверянов, С.Ф. Борьба с засолением орошаемых земель. – М: Колос. 1978. -240с.

3. Бальчюнас, А.И. Кротование минеральных тяжелых почв. – Обзорная информация ЦБНТИ Минводхоза СССР. 1979. -№14. с. 3-76.

4. Бондарев, В. А. Механико - технологические решения проблемы механизации садоводства и виноградарства Диссертация в виде научного доклада на соискание учёной степени доктора технических наук Краснодар, 1997

5. Брусиловский, Ш.И. Мелиорация минеральных почв тяжелого механического состава. –Минск: Урожай. 1981. –с.159.

6. Гришков, Э.В. О параметрах дренера кротователя. Сб. научных труд. Разработка технологии, рабочих органов машин и орудии для строительства и эксплуатации оросительных систем. 1979. с. 62-67.

7. Данатаров, А., Байджанов, Г. Мелиоративная и экономическая эффективность аэрационного дренажа. «Молодой ученый» ежемесячный научный журнал. Чита. 2010. №8. с. 83-91.

8. Данатаров, А. Об экологической напряженности в аридной зоне. //Тезисы докладов Международной конференции. 16-17 сентября 1993г. Экологические проблемы при орошении и осушении: часть I.Киев. –с.7-8.

9. Данатаров, А., Сапаров К.Б. Устройство аэрационного дренажа в аридной зоне. Мелиорация и водное хозяйство. Международный научный журнал –Москва. 1994. №2. с. 34-36.

10. Данатаров, А. Роль агромелиоративного оборудования по улучшению экологии Туркменистана Материалы Международной конференции 24-26 ноября 2010. Образование, наука, спорт и туризм в эпоху Великого возраждения. Ашгабат. с.234-235.

11. Досжанов, О.М., *Досжанов, Е.О. Эффективность применения рыхлителя-кротователя для регулирования водного режима почвы. (ЮКГУ имени М.Ауезова, Шымкент, *Каз НУ имени аль-Фараби, Алматы). 2010.

12. Зеленин, А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. 2-е изд. перераб. и доп. –М.: Машиностроение. 1968. -375с.

13. Изергин, А.Н. Кротование глинистых и тяжелосуглинистых почв. –Архангельск: Кн. изд-во. 1951. –с. 4-45.

14. Клейн, Г.К. Расчет труб, уложенных в земле. –М.: Госиздат. -1957. -194с.