Стрельчук А.Я., канд.с. - г.наук

Андреев А.А., канд.физ. - мат.наук

Арсенюк А.В., аспирант

Подольский государственный аграрно-технический университет, Украина

Особенности структурообразования почвы при ее обработке рыхлителем с вертикальным ротором

Идеальной для корневой системы растений является почва, состоящая из агрономически ценных агрегатов. Как свидетельствует многовековой опыт, получить такую структуру с помощью существующих почвообрабатывающих устройств (особенно пассивных рабочих органов) невозможно [1]. Однако, применение высокочастотных вибрационных технологий с этой точки зрения является весьма перспективным [2]. Устройство реализующие эти технологии, могут быть как активными, так и квазиактивными (КАРО) [3].

Рассматриваемое в настоящей работе устройство - ротор с вертикальной осью предназначенное для рыхления почвы. Устройство совмещает поступательное движение со вращательным, то есть, принадлежит к классу активных рабочих органов. Однако с уменьшением металлоемкости и соответствующем подборе параметров и пассивный и активный рабочий орган может быть использован как квазиактивный, то есть, могут быть акцентированы возбуждающиеся в нем высокочастотные колебания различных типов.

Крепежное кольцо 1 (Рисунок 1) при взаимодействии режущих вертикальных ножей 2 с почвой приходит в возбуждение. Типов колебаний может быть несколько. Рассмотрим радиальные колебания кругового кольца и их влияние на структуру почвы, обработанной жестко укрепленными режущими элементами. При отсутствии вибрации в точке крепления режущий элемент (нож) образует в почве щель в форме цилиндрической эпициклоиды. Набор таких щелей образует в обработанной почве структуру, которая условно может быть названа «стружкой». На наш взгляд наличие такого состояния почвы является весьма перспективным для новых технологий в земледелии благодаря своим специфическим свойствам. Следует отметить, что идеология «радикального рыхления» - «хороший прибор; после него - пыль» в значительной мере потерпела фиаско - в связи с эрозией почв.

Дальнейшая судьба, эволюция структуры «стружка» определяется многими факторами. Основными факторами являются: влажность и механический состав почвы. Запишем динамическое уравнение радикальных колебаний плоского кольца:

Е - модуль Юнга материала кольца; - вес единицы длины, ; R₀ - средний радиус кольца (Рис.1).

Рассматривая кольцо как свободное, получим частоты колебаний:

Так для тороидального стального кольца получил . Понятно, что даже для основной частоты при число ударов ножа по почве за один поворот кольца вокруг оси ровно . Понятно, что взаимодействие ножа с почвой кроме основной функции - резания дополнятся многократными высокочастотными ударами всей плоскостью ножа [7]. Следствия могут быть довольно многообразны.

Рис. 2. Влияние ВЧ – вибраций на почвенные слои: а) параметрическое усиление упругой волны в слое, а – уплотнение; б – рыхление; б) затухание.

В том случае, если влажность почвы низкая (сухие почвы) в них четко наблюдается квазипериодическая структура (такой моделью можно описать реальную фрактальную структуру), в которой распространение упругой волны описывается уравнением Матье - Хилла [4]. В том случае, когда решение уравнения неустойчиво, начинается крошение противоположной стенки почвенного слоя и уплотнение плоскостей непосредственного взаимодействия (Рис.2а). Если крошения не очень интенсивное - в почве остается щель, ширина которой соизмерима с шириной ножа. Подобные щели впервые были использованы (как направляющие) в так называемых астраханских технологиях [8]. Понятно, что параметры рассматриваемых щелей другие, но и эти щели могут быть использованы для регулирования водных режимов, глубиной промерзания почвы и т.д. Понятно, что предпосевная обработка позволяет без особых энергозатрат и какого-либо изменения структуры убрать щели. Следует отметить еще один аспект вибрационного влияния ножа на почву образования значительной части пылевой фракции разрушения фрактальной структуры полученной в результате резания поверхности. Однако, эти остается в глубине обрабатываемого слоя и не создает тенденции к эрозии почвы.

Вторым предельно возможным случаем является максимально возможная для обработки почвы влажность. При этом периодичность почвы проявляется незначительно и высокочастотное влияние плоскости ножа на почву проявляется в уменьшении размеров почвенных микропор, в отсутствии пылевой фракции и еще некоторых менее существенных явлениях. Можно предположить, что в этом случае образованные щели, более устойчивы и имеют более яркое выражение. Безусловно, это может также служить теоретическим базисом для внедрения новых земледельческих технологий.

Понятно, что промежуточные состояния также имеют целый род интересных свойств и требуют дополнительных широкомасштабных как теоретических, так и экспериментальных исследований.

Литература:

1. Вершинин П.В., и др. Основы агрофизики, под. ред. ак. А.Ф. Иоффе. - М.: Госиздат. - 1959. - 904 С.

2. Андреев А.А. и др.. Высокочастотные вибрационные технологии в земледелии как экологически честы//Mater.V Miedz. naukowi - prakt. konf. «Wschodnia spolka - 2009». - V. 7 - Przemysl. - 2009. - p. 18 - 20.

3. Андреев А. А. Научное обеспечение внедрения вибрационных технологий в земледелии// Сб.трудов Межд.симпозиума « Наука и предпринимательство». - Винница - Львов - Славск. - 1999. - С. 110 - 114.

4. Андреев О.А. Поздовжні коливання в перідично - неоднорідних системах «сипучі матеріали»// V Міжн. наукова конф. iм. ак. М. Кравчука. - Київ. -1996. -с.10

5. Андреев О.А., Ревука B.C. Обгрунтування параметрів робочих органів для нарізання напрямних щілин.//Зб. наук. Праць КПСГІ. - м. Кам'янець-Подшьський. - 1995. - с.170 - 171.

6. Тимошенко СП. Колебания в инженерном деле. - М.: Госиздат. — 1959. — 440С.

7. Андреев А.А., Федирко П.П. Ультразвуковое структурообразование при взаимодействии почвы и квазиактивных рабочих органов//Тезисы докл. Межд. конф. «Ультразвуковая техника и технология». - Минск. - 1995.-с.26.

8. Андреев А.А., Ревука B.C. Оптимизация ножа для нарезания направляющих щелей// Сб.научн.трудов «Совершенствование рабочих процессов с/х техники». - Кишинев. - 1989. - с. 9 - 11.