Міністерство аграрної політики України

Полтавська державна аграрна академія

Кутєпов О.П., Миленький Д.В.

МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ДЛЯ

ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Для студентів вищих навчальних закладів денної та заочної

форми навчання з дисципліни

„Сільськогосподарські та меліоративні машини”

Полтава 2009

Укладачі: Кутєпов О.П., к.т.н., доцент кафедри „Машини та обладнання агропромислового виробництва” (Полтавська державна аграрна академія),

Миленький Д.В., асистент кафедри „Машини та обладнання агропромислового виробництва” (Полтавська державна аграрна академія).

Рецензент: Кривоніс С.М., доцент кафедри „Машини та обладнання агропромислового виробництва” (Полтавська державна аграрна академія).

Схвалено і рекомендовано до видання:

Кафедрою машини та обладнання агропромислового виробництва: завідувач кафедрою, доктор технічних наук, професор Манчинський Ю.О., протокол №12 від 3 червня 2009 року.

Технічний редактор: Миленький Д.В.

Комп’ютерна верстка: Миленький Д.В.

© Полтавська державна аграрна академія

© Кутєпов О.П., Миленький Д.В.

Полтава 2009

Лабораторна робота 1.

Технологічні властивості ґрунту

Мета: Вивчити технологічні властивості ґрунту, як об‘єкту обробітку, технологічні операції і процеси, визначити дослідним шляхом твердість ґрунту i коефiцiент об’ємного зминання.

Обладнання: Твердомір, міліметровий папір, лінійка, зразки ґрунту, методичне забезпечення.

Програма роботи

1. Вивчити технологічні властивості ґрунту.

2. Вивчити технологічні операції i процеси.

3. Зняти діаграму твердоміром i визначити твердість ґрунту i коефiцiент об’ємного зминання.

4. Оформити звіт.

Хід роботи:

1. Технологічні властивості ґрунту.

Властивості ґрунту. Ґрунт - багатофазне дисперсне середовище, що складається із твердих частин, води, повітря i живих організмів, перемішаних між собою в різних співвідношеннях. За рiзноманiтнiстю якостей в природі немає подібних ґрунтові тіл. Властивості ж ґрунту мають вирішальне значення для якісних та енергетичних показників роботи ґрунтообробних машин.

Механічний склад. Залежно вiд розміру твердих частин ґрунти діляться на складові (розмір частинок більше 1 мм) i дрiбнозем. При визначенні типу ґрунту за механічним складом аналізують тільки дрiбнозем, котрий поділяється на дві фракції: фізичний пісок (частинки більші 0,01 мм) та фізичну глину (частинки менші 0,01 мм). За кількістю фізичної глини розрізняють ґрунти глинисті (більше 50% глини), суглинисті (50...20%), супiсчанi (20...10%) i пiсчанi (менше 10% фізичної глини). Чим більше в ґрунті фізичної глини, тим трудніше він обробляється.

Структура ґрунту. З часом в ґрунті первинні частинки коагулюють i зманюються, в результаті чого створюються нові, більш крупніші агрегати різноманітного розміру. Структурні створення розміром 0,25 мм умовно прийнято називати мікро агрегатами, а більш крупніші – макроагрегатами ґрунту.

Вважається, що при механічному обробітку ґрунту неможливо допустити руйнування його до частинок менше 0,25 мм, так як це призводить до руйнування структурних агрегатів.

Коефiцiент структурності ґрунту є його оцінкою після обробітку. Він визначається так:

К = m₁ /m_{2 ,} (1)

де m₁i m₂ - маси агрегатів розмірів 0,25...7 мм i іншої частини ґрунту.

Щільність ґрунту. Щільність мінералів утворюючих ґрунт, рівна 2,4...2.8 г./см³., твердої фази ґрунту – 2,4...2,7, перегною 1,2...1,4 г./см³.

Щільність являє собою відношення маси m абсолютно сухого ґрунту з непорушеним шаром (включаючи пори) до його V, тобто ρ_r=m/V.

У культурній ріллі ρ_r = 1,0...1,1 г./ см³., при 1,2 г./см³. вона ущільнена, а при 1,3... 1.4 г./см³. – сильно ущільнена.

Підорні горизонти мають щільність 1.4...1,6 г./см³.

Вологість ґрунту. Об’єм ґрунту не зайнятий твердими частинками, заповнений водою i повітрям.

Вологість ґрунту вважається оптимальною, коли вода заповнює три четвертих наявних в ньому капілярних щілин.

Про кількості води в ґрунті говорять за його абсолютною вологістю W_a (%), котру визначають за формулою:

W_a =(m_b-m_c)100/m_c , (2)

де m_b i m_c – вiдповiдно маса вологого i сухого ґрунту.

Вологість ґрунту суттєво впливає на його обробіток. Час переходу вiд напівтвердої до твердої консистенції відповідає фізичній стиглості ґрунту i є оптимальною для обробітку. При цьому великим робочим швидкостям відповідає велика вологість ґрунту, при якій опір обробітку найменший.

При обробітку підзолистого, посланого ґрунту оптимальною можна рахувати вологість рівну – 12 %, дернинопiдзолистих суглинистих ґрунтів – 12... 22%, чорноземів – 17...30%.

Коефiцiент пористості ε служить для характеристики складу ґрунтів. Він рівний відношенню пустоти V_n до об’єму твердих частин V_Т , тобто

(3)

де ρ_Т — щільність лише твердих частин;

ρ — щільність ґрунту твердих частин з пустотами.

При 0,5 < ε <1,5 ґрунт ущільнений, а при ε=1,5 — грунт пористий.

Кам'янистість ґрунту. Камінням в ґрунті називаються частинки розміром

1 мм i більше. Ґрунти діляться на не кам’янисті (менше 0,5% каменів), слабо кам’янисті (0,5...5%), середньо кам’янисті (5...10%) сильно кам’янисті (більше 10% каменів).

Здатність ґрунту до кришення виражається відношенням маси грудок розміром менше 50 мм. до маси ґрунту в пробі, виражених у відсотках. Границею не цільового обробітку ґрунту вважається кількість пилуватих частин близька до 3% за об’ємом.

Ідеальним вважається такий обробіток ґрунту, коли на глибині заробки насіння його складові частини досягають розміру 0,25...7 мм.

Об’ємна вага складає 1.1 ± 0,1 г./см³. в залежності вiд типу ґрунту i оброблюваної культури.

Мінімальний розмір частинок для ґрунтів, порушених ерозією не повинен бути менший 1 мм.

Опір зминанню (твердість ґрунту). Більшість робочих органів, ґрунтообробних машин i знарядь, а також різні опорні поверхні (колеса, гусениці i т.п.) енергетичних, транспортних i робочих машин при взаємодії з ґрунтом зминають його. Тому опір ґрунту зминанню є однією із його характеристик при оцінці умов роботи не тільки ґрунтообробних машин, а i багатьох інших сільськогосподарських машин.

Для визначення показників опору зминанню використовують прилади різних типів: ударного тиску, із статичними навантаженнями, з примусовим переміщенням реформатора. Останні отримали найбільше поширення в сільському господарстві.

У вiдповiдностi з ОСТ 70.2.15-73 показником опору ґрунту зминанню є середня твердість ґрунту, а прилади для визначення її названі твердомірами (Рис. 1).

Твердомір складається із штанги 1, пружини 2, рукояток 3, наконечника 4 (плунжера).

Рис.1. До визначення твердості ґрунту:

а - схема твердоміра: 1 - штанга; 2 - пружина; 3 - рукоятка; 4 - плунжер (наконечник); б - діаграма твердоміра з різними наконечниками: 1 - циліндричним; 2 - конічним.

При нажимi на рукоятку тиск через пружину i наконечник передається ґрунтові. При цьому сила натиску рівна силі опору ґрунту вдавлювання наконечника в ґрунт. Твердомір обладнаний пишучим пристроєм, записує діаграму у = f (λ). Знаючи калібр (жорсткість пружини k) вiд деформації перейти до сили F = ky. Як бачимо, при використанні наконечників різних форм (але з однаковою площею поперечного перерізу) вiдмiннiсть в силі опору ґрунту їх вдавлювання спостерігається лише на початковій стадії занурення. Після занурення наконечника на 5...6 см. сила F стає практично рівною i постійною. Лише після проходу наконечником орного шару сила F знову зростає, так як на їхньому шляху зустрічається більш щільніша підошва.

Діаграму твердоміра в межах орного шару можна апроксимувати двома прямими ОА i АБ, характеризуючи дві фази деформації ґрунту. В перебігу першої фази (ділянка ОА) внаслідок спочатку пружного, а потім пластичного ущільнення ґрунту під наконечником опір F зростає пропорційно лiнiйнiй деформації. Кінець першої i початок другої фази характеризуються невеликим перехідним періодом, в ході котрого перед основою наконечника виникає конусоподібний наріст із сильно ущільненого ґрунту (ущільнене ядро). В другій фазі (ділянка АБ) грунт деформується конусоподібним наростом, котрий розклинює його, зміщуючи в сторони i зустрічаючи при цьому постійний опір. В другій фазі ріст деформації λ не виникає збільшення опору F і ґрунт “тече”, тобто продовжує деформуватися під дією постійної сили на нього. Таким чином, деформація ґрунту стає функцією не стільки навантаження, скільки часу його дії (Рис.2).

Рис.2. Залежність сили Fопору ґрунту зминанню вiд його лінійної деформації λ.

Перша фаза в декілька разів коротша за другу, однак має більш практичне значення так, як деформація ґрунту сільськогосподарськими машинами, як правило, не виходить за межі обробки цієї ділянки діаграми отримують показники, характеризуючи здатність ґрунту створювати опір зминанню.

Згідно ОСТ 70.2. 15.73 твердість ґрунту Р (Н./см².)

Р=hk/S (4)

де h - середня ордината діаграми твердості, см.;

k - масштаб (жорсткість пружини Н./см.;

S – площа поперечного перерізу плунжера, см².

На основі аналізу діаграми не важко встановити, що сила опору ґрунту зминанню в межах першої фази залежить як вiд лінійної деформації ґрунту λ, так i вiд зминаємої площі ( площі поперечного перерізу наконечника) S вiдповiдно пропорційно об’єму зім’ятого (витісненого) ґрунту V = S λ. Крім того сила опору ґрунту зминанню F залежить i від самого ґрунту (глиниста чи пiсчана, суха чи волога). Якщо здатність ґрунту створювати опір зминанню виразити коефіцієнтом пропорційності q, то F = q V, звідки

q= F/ V, (5)

Коефiцiент отримав назву коефіціент об'ємного зминання ґрунту. Він має розмірність Н./см³. i показує, на скільки одиниць сили (Н) зростає опір ґрунту при розминанні кожної наступної одиниці його об’єму (см³.). Коефіцієнт об'ємного зминання має слiдуючi значення: свіжозораного ґрунту 1 ...2 Н./см³., для ниви, парів i лугів – 5...10 Н./см³., для ґрунтової дороги 50...90 Н./см³.

Досить важливим для інженерних розрахунків є межа опору ґрунту зминанню або межа несучої здатності ґрунту, котра звичайно характеризується граничним напруженням зминанню Р_пр Н/см²:

Р_пр= F_пр/ S , (6)

Однак, зміна площі плунжера змінює межу несучої здатності ґрунту, тобто переміщує критичну точку А в сторону більших чи менших граничних напружень. Таким чином при використанні твердомірів з плунжером різного діаметру отримують не спiвставнi результати. Характеристикою опору ґрунту зминанню, незалежною вiд діаметра плунжера, слугує деяка величина Н (Н./см².) яка визначається за формулою:

Н=F_і/d_і λ_і , (7)

де F_і – сила опору ґрунту зминанню, Н;

λ_і – лінійна деформація ґрунту в межах пропорційності під дією сили F_і, см;

d_і – діаметр плунжера, см.

Зминання ґрунту потребує затрат механічної енергії. Затрати енергії на зминання ґрунту в межах першої i другої фаз можуть бути визначені геометрично, вони вiдповiдно рiвнi. (Рис.2).

Е₁ = F_пр λ_пр/2 , (8)

Е₂ = F_пр (λ_Б -λ_пр), (9)

Підставивши у формулу (8) замість F_пр, його значення виражене через q, S і λ отримаємо

Е₁= q S λ²_пр/2 , (10)

З виразів слідує, що питомий тиск на ґрунт не повинен перевищувати i досягати граничних навантажень зминанню, так як в зворотному випадку ґрунт буде “текти”, тобто його деформація стане функцією часу, а затрати енергії на одиницю лінійної деформації виросте в двічі.

Фрикційні властивості – тертя проявляється як опір ковзання одного тіла відносно іншого, з ним дотичного (зовнішнє тертя, або одних частин одного i того ж тіла відносно інших (внутрішнє тертя). Таким чином, сила тертя це сила опору або сила реакції спричинена дією іншої активної сили, прагнучої створити ковзання поверхні одного тіла відносно іншого при нормальному тискові. Як i будь-яка сила реакції, сила тертя рівна тій силi, котра її збуджує, але має граничне значення, вище котрого не зростає. При змiнi активної сили, тертя може змінюватись вiд нуля до свого граничного значення (0≤ F_тр ≤ F_max).

Максимального значення сила тертя досягає при ковзанні. В цьому випадку її числове значення визначається за формулою Амонтова (1699 р.)

F_тр=fN=N_tgφ , (11)

де N – нормальний тиск, Н.;

f i φ – вiдповiдно коефiцiент i кут тертя.

Коефiцiент тертя ґрунту – величина не постійна. Він залежить від багатьох факторів, але головним чином вiд механічного складу i властивості. Зміна коефіцієнта тертя в залежності вiд механічного складу показано на рисунку. Як бачимо коефiцiент тертя глинистого ґрунту приблизно в 2 рази вищий ніж посланого. Це пояснюється тим, що в пiсчаних ґрунтів окремі пiсчинки не ковзають, а перекочуються по поверхні тертя, вiд чого коефiцiент тертя по поверхні зменшується. Ще більший вплив на коефiцiент тертя надає вологість ґрунту. При низький вологості вiд 0 до 8... 10% ґрунтова волога не липне до металу – відбувається “справжнє” або “істинне” тертя i коефiцiент тертя f не залежить вiд вологості ґрунту (відрізок аb). Збільшення коефіціента тертя (відрізок bс) при подальшому зростанні вологості ґрунту пояснюють виникненням сил молекулярного протягування ґрунтових частин до поверхні металу, котрі зростають із збільшенням вологості вiд 8...10 до 30...45% (в залежності вiд механічного складу ґрунту). I на сам кінець, якщо вмісту вологи в ґрунті достатньо, щоб забезпечити безперервний її притік до поверхні контакту ґрунту з металом, то вона відіграє роль змазки i коефіцієнт тертя з підвищенням вологості ґрунтом зменшується (відрізок dc). Для орієнтовних розрахунків тобто без врахування механічного складу i вологості ґрунту, приймають f = 0,5 i φ = 6^°30^'. Фрикційні властивості ґрунту надають більший вплив на процеси його механічного обробітку: вiд 30 до 50% енергії втрачається на подолання шкідливих опорів, з тертям ґрунту об робочі поверхні ґрунтообробних машин i знарядь (Рис.3).

Вміст фракцій < 0.01 мм.

Рис.3. Залежність коефіцієнта тертя ґрунту об сталь:

а - вiд вмісту в грунтi ,,фізичної глини”; б - вiд абсолютної вологості ґрунту ω_а.

Липкість ґрунту – це здатність його частин прилипати до різноманітних тіл, а також склеюватись. Вона проявляється двояким чином: як опір при ковзанні ґрунту по поверхні робочих органів машин (корпусів плугів, лап культиваторів, сошників сівалок i т.п.) i як опір при відриві з них перебуваючих в контакті твердих тіл (кочення коліс, рух гусениць i т.п.).

Опір ковзанню вiд прилипання визначається за формулою:

Т_пр=р₀S+рNS , (12)

де р₀ – коефiцiент дотичних сил питомого прилипання при відсутності нормального тиску, Па;

р – коефiцiент дотичних сил питомого прилипання, викликане нормальним тиском 1/м².;

S – видима площа контакту, м².;

N – сила нормального тиску.

Порівнявши вираз, бачимо, що закони тертя i прилипання мають суттєву різницю. Прилипання на відміну вiд тертя залежить не тільки вiд нормального тиску i властивостей матеріалу робочої поверхні, а й вiд площі контакту i проявляється навіть при відсутності нормального тиску. Липкість ґрунту залежить головним чином вiд механічного складу (дисперсності), вологості, матеріалу робочого органу i питомого тиску. Із збільшенням дисперсності липкість зростає, тому глинисті ґрунти більш липкі, ніж пiсчанi; безструктурні більш липкі, ніж структурні. Липкість починає проявлятись лише при визначені вологості: для ґрунтів з порушеною структурністю при відносній вологості 40...50%, для структурних 60...70%. Залежність питомої сили прилипання від вологості для різноманітних матерiалiв представлена на рисунку 4. Як бачимо, із збільшенням вологості спочатку зростає, а потім спадає; прилипання ґрунту до капрону і фторопласту значно менше, ніж до сталі (Рис 4). При вiдповiднiй вологості ґрунту прилипання i тертя діють разом.

Рис.4. Залежність питомої сили прилипання р₀вiд абсолютної вологості ґрунтуω_а:

1 - сталь; 2 - капрон; З - фторопласт.

Якщо при цьому ґрунт ковзає по поверхні робочого органу, то обидва процеси проявляються одночасно у вигляді опору i ковзання:

Т_заг=F_п.м.+Т_пр , (13)

де F_п.м. – сила тертя ґрунту по матеріалу поверхні робочого органу;

Т_пр – сила прилипання ґрунту до матеріалу робочого органу.

Злипання робочих органів відбувається в тому випадку, коли сума питомих сил тертя являється більшою ніж межа міцності ґрунту на зсув. Самоочищення спостерігається в тому випадку, коли сума сил прилипання i тертя ґрунту об ґрунт (шару об прилиплi частинки) стає більшою ніж загальний опір‚ прилиплих частин ковзанню.

Щільність і пружність, в’язкість i хрупкість теж важливі технологічні властивості ґрунту.

Пластичність ґрунту ω_n – його властивість деформуватись під дією зовнішніх навантажень (змінювати свою форму без розпаду на частини) i зберігати цю деформацію після зняття навантаження. Пластичність залежить в основному вiд механічного складу i вологості ґрунту i характеризується числом пластичності:

ω_n= ω_m- ω_p , (14)

де ω_m - верхня межа пластичності, тобто вологість ґрунту, при якій він розпливається вiд найменшого струсу;

ω_p - нижня межа пластичності, тобто вологість, при якій ґрунт розкатаний в стержень, діаметром 3 мм., починає кришитися.

Пісок не пластичний, число пластичності для ґрунтів іншого механічного складу приймає слiдуючi значення: супісок – 1...7; суглинок – 7...17; глина –більше 17.

Пружність – протиставляють пластичності. Під пружністю ґрунту розуміють його властивості відтворювати свою форму після зняття зовнішнього навантаження.

Відповідно, пружна деформація існує лише до тих пір, доки на тіло продовжує діяти зовнішня сила, що викликає цю деформацію. Пружність ґрунту залежить головним чином вiд механічного складу, вологості i задернілості. Відносне значення пружної деформації ґрунту може змінюватись вiд 30 до 80%.

В’язкість ґрунту – його властивість повільно деформуватися не тільки в функції навантаження, а i функції часу. Таким чином, деформація в’язкого тіла залежить не тільки вiд навантаження, а i вiд тривалості дії.

Чим більша тривалість дії навантаження, тим більша i деформація. В’язкість ґрунту пов’язана з явищем взаємного переміщення складових його фаз: твердих частин, води i повітря. Наприклад, при русі трактора по болотистому ґрунті (торф’яникові) глибина колії тим більша, чим менша швидкість трактора i навпаки.

Хрупкість зазвичай протиставляють в’язкості. Межа міцності крихких тіл не перевищує межі пружності або співпадає з нею. Таким чином в крихкому тілі пластична деформація відсутня. Так, наприклад, пересохлi ґрунти важкого механічного складу стають крихкими, тобто при руйнуванні вони практично не випробовують залишкових деформацій.

Тільки в окремих випадках ґрунт може володіти одним із перелічених властивостей, тобто тільки пружністю або тільки пластичністю i т.п. В загальному випадку ґрунт – це пружно-в’язко-пластичне тіло. Одначе із зміною тих чи інших параметрів ґрунту відбувається зміна стану або втрата тих чи інших фундаментальних властивостей.

Наприклад, при сильному зменшені вологості ґрунт може втратити властивості в’язкості i здобути властивості крихкості.

Задернілість i її вплив на технологічні властивості.

Ґрунт цілинних i залежаних земель, лук, пасовищ, осушених боліт, торф’яників, полів з-під багаторічних трав пронизані багаточисельним корінням рослин. Масивні крупні коріння сконцентровані в верхній частині шару вiд 6...8 до 16...18 см., нижче розміщені, як правило, лише тонкі маленькі корінці. Ґрунтовий шар в таких випадках розмежовується на два шари, що різко відрізняються за своїми технологічними властивостями. Так, наприклад, верхній задернений шар часто поводить себе, як пружне тіло в той час, як нижній володіє пластичністю, а іноді може розглядатися, як сипучий матеріал.

Встановлено, наприклад, що границі міцності на зсув зачерненого i (багатолітні залягання) більше ніж в три рази перевищує границю міцності староорного ґрунту (стерня озимої пшениці) того ж механічного складу i при тій же вологості.

Одначе i верхній задернілий шар не однорідний по глибині. Залежно вiд того, що задернілість ґрунту із збільшенням глибини розташування шару зменшується, змінюються i технологічні властивості. Так наприклад, межа міцності зачерненого ґрунту на проміжку значно зменшується із збільшенням глибини подовження проби відповідає межі міцності на розтяг, з цього слідує i пружність ґрунту.

Як бачимо, задернілість створює великий вплив на технологічні властивості ґрунту, тому її необхідно враховувати при характеристиці ґрунту, як механічного обробітку. Характеристикою задернілості ґрунту можуть слугувати товщина шару дернини, зв’язаність дернини та ступеню задерніння орного шару.

Товщина шару дернини в залежності вiд видового складу рослин і тривалості їх проростання зманюється вiд 6 до 18 см. Зв’язаність дернини визначається шляхом випробувань його на розрив. Під зв’язаністю дернини розуміють відношення зусилля, при котрому проходить розрив, до площини поперечного перерізу проби, тобто максимальне напруження або межа міцності на розрив (Па).

Ступінь задерніння пласта (орного шару) визначається шляхом взяття проб ґрунту на глибину орного шару i видалення із них підземної частини рослин (коренів). Видiленi із ґрунту корінці відмивають, висушують до повiтряно-сухого стану i зважують. Маса вилученої підземної частини рослин, віднесена до взятої проби, показує ступінь задерніння ґрунту i змінюється в широких межах в залежності вiд видового складу рослин. За нашими даними ступінь задернілості ґрунту складає: на Цилині 18...39, залежі до 24, на полях багаторічних трав (конюшини) дворічного використання 4,5...8 г./дм³.

Абразивність проявляється у зносі робочих органів ґрунтообробних машин i знарядь і залежить головним чином вiд механічного складу ґрунту. Встановлено, наприклад, що зношення лемеша при оранці одного гектару складає на глинистих i суглинистих ґрунтах вiд 2 до 30 г., супiсчаних і пiсчаних з невеликою кількістю каменів вiд 30 до 100 г., пiсчанi з великою кількістю каменів вiд 100 до 450 г. Вiдповiдно, загальним критерієм абразивностi ґрунту можна рахувати наявність в ньому фізичного піску.

Висока абразивнiсть ґрунту пояснюється наявністю в ньому кварцю – самого твердого із мінералів, складових ґрунту.