РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОБОСНОВАНИЮ ПРОЦЕССА ВОЗДЕЙСТВИЯ И ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННЫХ РЫХЛИТЕЛЕЙ ПОЧВЫ
Многие десятилетия ученых и инженеров интересовали процессы, связанные с ударом и вибрацией. При ударе происходят процессы сложного происхождения, что затрудняет достаточно полно описать математическими уравнениями, так как силы, возникающие за короткое время, порождают волны напряжений исходящих из области контакта.
Десятки ученых всего мира изучают свойства материала в пластической стадии при ударе [34]. Галилеем установлено, что всякий удар производит работу. Ньютоном сформулированы законы движения и введен коэффициент восстановления удара. Д. Бернулли и Пуассоном изучены колебания в упругих телах при продольном ударе.
Герц предложил теорию местных контактных деформаций, которая нашла широкую область применения [35]. В этом аспекте целесообразно использовать явление удара при воздействии рабочих органов на почву для снижения энергоемкости и улучшения качества ее обработки.
2.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОЧВЫ И ВЫБОР РЕОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
Для характеристики механических свойств почвы используется большое количество показателей, таких как твердость, коэффициент объемного смятия, и другие, которые входят в функции, аппроксимирующие зависимости удельного усилия вдавливания плунжера от глубины его погружения [36].
Но эти показатели характеризуют механические свойства почвы лишь косвенно, так как они зависят дополнительно от большого числа факторов. И чем их больше возникает, тем меньше объем информации, которую они несут о среде. Из-за отсутствия теории процесса взаимодействия плунжеров с почвой нельзя сделать анализ физической сущности этих показателей и различных коэффициентов, а также их информативной ценности для описания механических свойств среды.
Существует ряд таких показателей, как коэффициент сцепления и коэффициент внутреннего трения, которые определяются при помощи различных сдвиговых приборов и устройств.
Характерной особенностью диаграмм для плотных почв является наличие максимума, что позволяет выделить два значения: максимальное и предельное. Каждое из них может быть использовано при определении коэффициента сцепления С и угла внутреннего трения . Установлено, что зависимость касательных от нормальных напряжений для рыхлых почв не является линейной. Это также подтверждается исследованиями Зеленина А.Н. [37].
Известно также, что на показатели С и и на коэффициенты, используемые вместо них, существенно влияет конструкция прибора. Разница в показателях С и достигает 3,4...4,3 и 1,5 раза [36]. Это говорит о том, что показатели С и являются параметрами эмпирических зависимостей, характеризующих процесс взаимодействия с почвой прибора определенной конструкции и, следовательно, лишь косвенно характеризуют свойства почвы.
Таким образом, для оценки механических свойств необходимо использовать показатели, характеризующие начальную стадию деформации под воздействием рабочего органа, то есть модуль деформации Е и коэффициент Пуассона µ.
Существующие методы определения Е и µ для почвы не учитывают всех особенностей значений процесса взаимодействия рабочих органов с почвой. В существующих публикациях рассматривается процесс взаимодействия с почвой плоского круглого плунжера, так как он имеет всего один конструктивный параметр - диаметр.
Обобщая вышесказанное, можно отметить, что состояние почвы характеризуется не только физико-механическими, но и реологическими свойствами.
Все эти показатели достаточно описаны в работе [39], но этот перечень можно дополнить еще одной величиной - деформационным показателем [32].
Теоретические методы определения конструктивных параметров и оптимальных форм рабочих органов почвообрабатывающих машин являются одной из основных проблем в земледельческой механике.
Почва представляет собой многофазную систему, в которой составляющие ее вещества находятся в жидком, газообразном и твердом состоянии. Взаимодействие этих фаз, а также физико-механические свойства определяют реакцию почвы на воздействие деформаторов и ее поведение в процессе деформирования.
Строение почвы принято считать сплошным и экспериментальными исследованиями, проведенными за последнее время, доказано наличие полей и деформаций внутри почвенного массива под воздействием деформаторов. Эксперименты подтверждают приемлемость методов механики сплошной среды для математического описания процессов деформации почвы.
Модель почвы представляется как упруго-вязко-пластическое тело. Три элемента, а именно идеальное тело Гука, Ньютона и Сен-Венана можно соединять в различных сочетаниях. Полученное при этом тело описывает различные проявления упруго-вязко-пластических свойств. Представление в виде модели получило широкое распространение, благодаря наглядности и простоте [40].
Идеальное тело Гука, проявляющее упругие свойства, представляет собой линейно связанные деформации и напряжения.
Уравнение состояния такого тела имеет вид [40]:
, (2.1)
где - напряжение;
E - модуль упругости;
- деформация, приходящаяся на единицу образца.
Идеальное тело Ньютона, проявляющее свойства жидкости, представляет собой зависимость, где скорость и напряжения связаны линейно [40]:
, (2.2)
где - напряжение;
?? - коэффициент вязкости.
Реологическая модель Сен-Венана, проявляющая пластические свойства, представляется в виде вязкого элемента и описывается уравнением:
, (2.3)
где - предел текучести.
Реологическая модель представляется в виде фрикционного элемента. При жестко пластической деформации объем тела принимается неизменным. Пластическая деформация представляет собой остаточную деформацию сдвига при напряжениях превосходящих предел пластичности.
Таким образом, поскольку почва имеет твердые включения ее можно считать твердой фазой, свойства