1.4. Технологические свойства почвы

Свойства почвы, которые проявляются в процессе выполнения технологических процессов, называются технологическими. Эти свойства делят:

1. По прочности при деформации:

• при растяжении (5–5 кПа);

• при сдвиге (10–12 кПа);

• при сжатии (65–108 кПа).

При этом касательные напряжения τ для старопахотных почв (не связанных) определяются по зависимости

τ = δ; tg  = f δ, (1.2)

где δ – коэффициент на растяжение,  и f – угол и коэффициент внутреннего трения (почвы по почве).

Когда почва связанная, то это учитывается составляющей с₀, на которую увеличивается τ.

Для выполнения техпроцесса важно исключать сопротивление на сжатие – иметь рабочие органы, которые осуществляли бы деформации растяжения и сдвига.

2

Рис. 1.2

. По твердости – способности почвы сопротивляться внедрению в нее твердого тела. Определяется она твердомерами ударного или непрерывного действия (рис 1.2), которые включают: рукоятку 1, карандаш 2, бумагу 3, пружину 4, шток 5, наконечник 6, механизм передачи величины сжатия пружины 4 на карандаш 2 (этот рычажный механизм на рисунке не показан). При нажатии на рукоятку 1 пружина 4 сжимается на величину у. По мере внедрения наконечника 6 в почву на величину h карандаш 2 вычерчивает на бумаге твердограмму 1 (рис. 1.3), если наконечник плоский – твердограмму 2. Разница при этом наблюдается лишь до точки А, предела прочности почвы на сжатие. При дальнейшем заглублении условия внедрения обоих плунжеров выравниваются, поскольку на плоском образуется конус из почвы (рис. 1.3). На основании твердограммы определяют твердость почвы Т:

Т = кy / S = F / S, (1.3)

где к – калибр пружины, Н/мм; y – ордината твердограммы, мм; F – сила;

S = πd²/4 – площадь плунжера, мм²; d – его диаметр, мм.

Рис. 1.3

Рис. 1.3

Полученную таким образом твердость целесообразно перевести в паскали или мегапаскали. Опыты Е.П. и В.Е. Огрызковых показали, что на глубине работы лезвий плужных лемехов (в слое 0,22–0,25 м) изменение твердости Т в функции влажности W на разных агрофонах сибирских черноземов можно представить табл. 1.

Таблица 1. Изменение Т = f(w)

Агрофон	Т (МПа) при W (%)
	10	15	20	25	30
Стерня	3,59	2,06	1,29	0,83	0,52
Многолетние травы	3,55	2,56	2,05	1,74	1,50
Кукурузище	3,82	2,68	2,13	1,76	1,52
Пар	3,67	2,31	1,64	1,23	0,96

Из табл. 1 видно, что W существенно влияет на Т. Это отражается на энергозатратах при обработке одной и той же почвы и ее абразивных свойствах. Поэтому бытующее в учебной литературе деление почв по трудности обработки и абразивным свойствам лишь исходя из их мехсостава некорректно. Технологические свойства одной и той же по мехсоставу почвы существенно (в несколько раз) изменяются в зависимости от ее влажности.

Коэффициент объемного сжатия q определяется так:

q = F / (Sh) = F / V = T / h, (1.4)

где q – показывает, на сколько возрастает сопротивление почвы при смятии единицы ее объема в фазе уплотнения (для свежевспаханной почвы – 1000…2000 кПа, для жнивья, паров и лугов – 5 000…1000 кПа); V – объем деформированной почвы, м³; h – глубина погружения плунжера твердомера, м.

Учитывая, что затраты энергии (работы) графически пропорциональны площадям, можно на основе твердограмм утверждать, что работа на участке до точки А при одинаковых h, т.е. Е₁ = ¹/₂Е₂ (рис. 1.4), оказывается примерно в два раза меньше. Отсюда следует, что при переходе предела прочн

Рис. 1.4

ости почвы затраты энергии на ее обработку резко возрастают. Рабочие органы почвообрабатывающих орудий не должны производить такие технологические процессы по энергетическим и экономическим соображениям.

3. По фрикционным свойствам – трению (внешнему и внутреннему).

Внешнее трение – трение материала по поверхности, внутреннее – материала по материалу (почвы по почве). Эти трения определяются коэффициентами ƒ и углами φ трения по формуле Амонтона (1699 г.)

F_тр = ƒ (F_н) = F_н tg φ, (1.5)

т.е. ƒ = F_тр / F_н и tg φ = F_тр / F_н;

0 ≤ F_тр ≤ F_тр max,

где F_тр – сила трения, Н; F_н – нормальная сила, Н.

Различают коэффициенты и углы трения покоя и скольжения. Первые можно определять по началам скольжения материала по наклонной к горизонту плоскости φ:

ƒ = tg φ, (1.6)

а вторые – по скольжению материала в горизонтальной плоскости по клину.

4. По липкости – способности частиц склеиваться и прилипать к телам. При этом сопротивление скольжения прилипанию F_пр:

F_пр = ρ₀ S + ρ F_н S, (1.7)

где ρ₀ – коэффициент касательных сил удельного прилипания при отсутствии нормального давления, Па; S – видимая площадь контактов, м²; ρ – коэффициент касательных сил удельного прилипания, вызываемых нормальным давлением, 1/м²; F_н – сила нормального давления, Н.

Липкость появляется с влажности W_а = 30…60%. Определяется липкость так, как показано на рис. 1.5. Увеличивая mg до отрыва поверхности 2 от емкости 1, получают F_пр = mg Силы F_тр и F_пр при определенных условиях действуют совместно, т.е.

F_об = F_тр + F_пр, (1.8)

где F_об – общая сила скольжения материала по поверхности

Рис. 1.5

Самоочищение рабочих поверхностей происходит тогда, когда прочность почвы на сдвиг оказывается больше F_об, а залипание, – когда меньше. Это требует выполнять рабочие органы с F_тр и F_пр такими, чтобы эти силы были как можно меньшими, что, например, достигается шлифовкой рабочих поверхностей.

5. По удельному сопротивлению К плуга – почвы, которое используется для рационального составления пахотных агрегатов. Практически К определяется по формуле:

К = F_пл / аВ, (1.9)

где F_пл – сопротивление плуга, Н; а – глубина обработки, м; В – практическая ширина захвата плуга, м.

Удельное сопротивление К существенно зависит от влажности W почвы, поскольку влажность изменяет ее твердость Т. Наименьшее удельное сопротивление оказывается у «спелой» почвы. Увеличение К при W > 25% объясняется залипанием отвалов почвой.

При составлении агрегатов используют формулу:

К^/ = F_пл / (abn), (1.10)

где b – ширина захвата корпуса, м; n – число корпусов плуга.

К сожалению, в учебной литературе по этой формуле находят и К, упуская из вида, что В > bn из-за бочения плуга (по данным Е.П. и В.Е. Огрызковых).

6. По абразивности. Абразивность почв обусловливает износ рабочих органов почвообрабатывающих орудий. В учебной литературе некорректно бытует мнение о том, что лишь разные по мехсоставу почвы имеют разную абразивность. Так, остается без внимания тот факт, что почва одного и того же мехсостава имеет разную абразивность в зависимости от ее влажности W и твердости Т. Так, при исследованиях темпов износа (мм/га) лезвий плужных лемехов из стали Л-53 с твердостью лезвий 550–600 единиц по Бринелю и работе на стерневых агрофонах черноземных почв Западной Сибири, Е.П., В.Е., П.В. Огрызковыми установлены следующие закономерности:

, (1.11)

Л = 0,0003478 Т – 0,08589, (1.12)

где Т – твердость почвы в том же слое, Па; W – абсолютная влажность почвы в зоне работы режущих кромок лезвий (на глубине 0,22–0,25 м), %; Л – темп износа лезвий в направлении от режущих их кромок к спинке, мм/га.

Полученные данные, приведенны в табл. 2 и 3, из них следует, что темп износа Л (мм/га) в функции влажности W (%) почвы описывается гиперболической зависимостью типа:

(1.13)

а в функции твердости Т (мПа) – уравнением прямой:

Л = СТ – Д (1.14)

Таблица 2. Л = ƒ (W)

Состояние лемехов	Износ Л (мм/га) при W,%
	10	15	20	25
Новые лезвия	1,105	0,575	0,325	0,175
Оттянутые закаленные	1,640	0,907	0,540	0,320
Оттянутые незакаленные	2,370	1,370	0,870	0,570
Новые носки	2,150	1,220	0,760	0,480
Оттянутые закаленные	3,080	1,690	0,990	0,570
Оттянутые незакаленные	3,830	2,140	1,290	0,790

Таблица 3. Л = ƒ (Т)

Состояние лемехов	Износ Л (мм/га) при Т, мПа
	3,59	2,06	1,29	0,18
Новые лезвия	1,09	0,58	0,33	0,18
Оттянутые закаленные	1,64	0,91	0,54	0,32
Новые носки	2,21	1,25	0,77	0,48
Оттянутые закаленные	3,17	1,75	1,03	0,61
Оттянутые незакаленные	4,04	2,29	1,40	0,87

Постоянные коэффициенты А, В, С, Д для разных состояний изнашиваемых частей лемехов приведены в табл. 4.

Зная значения А, В, С и Д, можно по W и Т находить темпы изнашивания рабочих частей лемехов и делать из этого инженерные выводы.

Таблица 4. Значения опытных коэффициентов А, В, С, Д

Состояние лемехов	А	В	С	Д
Новые лезвия	15,3	0,43	0,33	0,091
Оттянутые закаленные	22,0	0,56	0,48	0,075
Оттянутые незакаленные	30,0	0,63	0,66	0,036
Новые носки	27,8	0,68	0,63	0,044
Оттянутые закаленные	50,7	1,24	0,93	0,161
Оттянутые незакаленные	41,8	1,10	1,15	0,079