Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Механико-технологические основы снижения энергоемкости обработки почвы

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

доктора технических наук

Мамбеталин Кахим Токушевич

Новосибирск - 2011

Работа выполнена на кафедре «Почвообрабатывающие и посевные машины» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия»

Научный консультант - доктор технических наук

Нестяк Вячеслав Степанович (ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Докин Борис Дмитриевич (ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии)

доктор технических наук, профессор

Ковтунов Виктор Евгеньевич (ФГОУ ВПО ОмГАУ)

доктор технических наук, профессор

Набиев Тухтамурод Сахобович (ФГОУ ВПО БГАУ)

Ведущая организация - Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (ГНУ ВИМ Россельхозакадемии)

Защита состоится « 15 » декабря 2011 года в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 006.059.01 при Государственном научном учреждении Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета по адресу 630501, Новосибирская область, Новосибирский район, р.п. Краснообск -1, а/я 460 ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии;

телефон, факс (383) 348-12-09;

e-mail: sibime@ngs.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СибИМЭ

Автореферат размещен на сайте ВАК Минобрнауки России referat_vak@obrnadzor.gov.ru 12 сентября 2011г., на сайте ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии www.sibime-rashn.ru - _____ ноября 2011 г. и разослан ____ ноября 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.С. Нестяк

обработка почва нетрадиционный реологический

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В технологии возделывания сельскохозяйственных культур особое место по энергоемкости (до 25%) занимает обработка почвы. Она же определяет и энергоемкость всей технологии возделываемой культуры, а в совокупности с другими факторами является одной из причин целого ряда негативных последствий механизации (снижения урожайности полей, повышенной плотности почв, усиления эрозионных процессов и т.д.) и возникновения проблемы почвосбережения.

Обработка почвы выполняется различными рабочими органами, а в основе существующих способов основной и поверхностной обработки почвы и рабочих органов для их реализации лежит механическое воздействие на почву сжатием.

К настоящему времени накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал по обработке почвы, однако качественных изменений в принципе воздействия на почву и в конструкциях рабочих органов для их реализации не происходит. Хотя еще основоположник земледельческой механики академик В.П. Горячкин говорил о необходимости иных методов и приемов воздействия на почву для снижения энергоемкости ее обработки и сохранения плодородия почвы.

Причиной сложившегося положения является то, что земледельческой механике присущ упрощенный подход к почве: при рассмотрении почвы как объекта технологического воздействия изучение и учет структуры, состава, свойств и других характеристик почвы проводится на уровне почвенных частиц размером 10^-1 …10^-2 см, что для ее развития явно недостаточно. На этом уровне даже такие легко обнаруживаемые механические свойства, как внутреннее трение, вязкость, пластичность, проявляются не в полной мере, так как они формируются составом почвы, в том числе и коллоидным.

Следовательно, изыскание новых способов и приемов воздействия на почву с учетом многообразия её свойств, потенциально содержащих возможные направления снижения затрат энергии на обработку, и разработка на этой основе менее энергоемких процессов и технических средств основной и поверхностной обработки почвы, сохраняющих её плодородие, является актуальной научной проблемой.

Цель исследования - снижение энергетических затрат на обработку почвы при сохранении её плодородия за счет научно обоснованной минимизации обработок и применения нетрадиционных видов деформации и приемов воздействия на обрабатываемый пласт почвы.

Объект исследования - динамические процессы, формирующие почвенную структуру в естественных природных условиях; технологические процессы поверхностной и основной обработки почвы и реализующих их технических средств.

Предмет исследования - закономерности техногенного воздействия на почву, определяющие возможности снижения энергетических затрат на её обработку, сохранение структуры и плодородия.

Методы исследования. Общей методологической основой исследований явились методы и приемы диалектического познания изучаемой проблемы: анализ и синтез, моделирование, эксперимент, гипотеза, наблюдение, индукция и дедукция.

Теоретические исследования выполнены на базе методологических положений классической механики, механики твердого тела, квантовой механики, кинетической теории и других отраслей науки.

Экспериментальные исследования и обработка полученных данных выполнены с использованием методов планирования экспериментов, математической статистики и пакета прикладных программ на ПЭВМ.

Сущность научной проблемы заключается в отсутствии теоретической основы техногенного воздействия на почву как сложную систему материальных частиц с учетом позиций механики тел, квантовой механики, кинетической теории и других отраслей науки, выявления на этой основе возможностей снижения энергетических затрат на обработку почвы, разработки и обоснования новых технико-технологических решений для их реализации.

Научная гипотеза. Поскольку почва является материальным телом, к ней кроме сжатия и сдвига, требующих больших энергетических затрат при разрушении (крошении), применимы и другие виды деформации. В почве происходят естественные физико-механические процессы, восстанавливающие ее структуру, за счет чего ей присуще рыхлое состояние. Предполагается за счет выявления и теоретического обоснования механизма саморазрыхления почвы определить возможные пути снижения техногенного воздействия на почву, что в итоге обеспечит снижение энергоемкости ее обработки.

Исследования выполнены в соответствии с межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001…2005 гг. «Научные основы формирования и функционирования эффективного агропромышленного производства» по направлению 02.01. «Разработать новое поколение экологически безопасных ресурсосберегающих машинных технологий и создать комплекс конкурентоспособных технических средств для устойчивого производства приоритетных групп сельскохозяйственной продукции для растениеводства».

Научную новизну представляет совокупность положений, определяющих механико-технологические основы снижения энергоемкости обработки почвы:

- положения о почве как объекте технологического воздействия применительно к земледельческой механике: гипотеза о наличии в составе почвы четвертой, плазменной фазы - фазы почвенного раствора; положение о свободной и связанной воде как форме существования почвенной воды; положение о наличии в почвенном слое фононного газа, осуществляющего перенос тепла и влаги; механизм саморазрыхления почвы;

- положения о характере процессов, обеспечивающих возможности разработки новых принципов и технических средств технологического воздействия на почву: реологическая модель почвы; расчеты тепловой энергии в почвенных слоях; положение о структурной вязкости почвы; величина энергии крошения почвы; удельная поверхность почвенных частиц как агротехнический показатель ее структуры; уравнение тягового сопротивления рабочего органа;

- теоретическое обоснование применения нетрадиционных принципов воздействия на почву: растяжения, вибрации; обработки почвы без механического воздействия на нее рабочими органами (интенсификация процессов разрыхления почвы за счет перевода связанной воды в категорию свободной воды и т.п.); переменной или комбинированной форм и геометрий поверхностей рабочих органов;

- уровень технологического воздействия на почву при подготовке к возделыванию зерновых культур в степной зоне;

- конструктивно-технологические схемы и параметры рабочих органов для поверхностной и основной обработки почвы на принципах растяжения и вибрации.

Новизна технических и технологических решений защищена двумя патентами на изобретения.

Практическая значимость. Результаты выполненных исследований могут служить практической базой для разработки новых принципов и технических средств обработки почвы в земледельческой механике. Обосновано возделывание зерновых культур по технологии прямого посева в условиях степной зоны, что позволяет снизить топливно-энергетические затраты на 29…38% по сравнению с традиционной технологией, повысить урожайность зерновых на 3…4 ц/га и снизить расход топлива на 4…5 кг/га. Разработаны рабочие органы для поверхностной обработки почвы, снижающие энергетические затраты на 16% по сравнению с серийными культиваторными лапами, и комбинированный рабочий орган для основной обработки почвы, обеспечивающий снижение энергетических затрат на 15% по сравнению с плугом.

Реализация результатов исследования. Материалы исследований, представленные в виде рекомендаций производству, одобрены научно-техническим советом Комитета сельхозмашиностроения Уральского региона. Рекомендации по возделыванию зерновых культур приняты к внедрению Министерством сельского хозяйства Челябинской области РФ и Департаментом сельского хозяйства Акмолинской области Республики Казахстан и используются в хозяйствах Брединского и Варненского районов Челябинской области, в хозяйствах Северного Казахстана. При проведении прямых посевов по этим рекомендациям только на весенних работах расход топлива снизился на 4…5 кг/га, а урожайность повысилась на 2…4 ц/га по сравнению с традиционными посевами. Комбинированный рабочий орган апробирован на вспашке поля в фермерском хозяйстве «Салават Юлаев», его применение снизило расход топлива на 2…2,5 кг/га по сравнению со вспашкой плугом. Расчеты по определению параметров пружинной стойки культиваторной лапы приняты к применению в ЗАО ИПП «Техартком». Результаты исследований использованы при разработке комбинированного почвообрабатывающего посевного агрегата ППАБМ - 14,7. Материалы исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

На защиту выносятся:

- процесс саморазрыхления почвы и его механизм как совокупный результат проявления сил межмолекулярного взаимодействия почвенных частиц, взаимодействия составляющих почву фаз, воздействия почвенной биоты и окружающей среды, позволяющие сокращать количество технологических воздействий на почву;

- положение о наличии в почвенном слое фононного газа, осуществляющего перенос тепла и влаги, обладающего энергией, энтропией;

- гипотеза о наличии в составе почвы четвертой, плазменной фазы - фазы почвенного раствора;

- удельная поверхность почвенных частиц как агротехнический показатель ее структуры;

- теоретическое обоснование применения энергетической теории разрушения почвы, величина энергии крошения почвы;

- реологическая модель почвы;

- положение о структурной вязкости почвы;

- уравнение тягового сопротивления рабочего органа;

- теоретическое обоснование применения нетрадиционных принципов воздействия на почву: растяжения, вибрации; обработки почвы без механического воздействия на нее рабочими органами; переменной или комбинированной форм и геометрий поверхностей рабочих органов;

- уровень технологического воздействия на почву при подготовке к возделыванию зерновых культур в степной зоне;

- конструктивно-технологические схемы и параметры рабочих органов для поверхностной и основной обработки почвы.

Апробация результатов исследования. Материалы исследований обсуждены и одобрены на международных научно-практических конференциях Челябинского ГАУ (1996-2006 гг.), ГНУ СибИМЭ (2011г.), на научно-производственном совете департамента сельского хозяйства Акмолинской области и ТОО «СТ Агро» Республики Казахстан (2006, 2007 гг.), на расширенном ученом совете кафедры «Сельскохозяйственные машины» Башкирского ГАУ (2009 г.).

Публикация. По материалам исследований опубликовано 24 научные работы, получено два патента на изобретения. Общий объем публикаций составляет 22,3 п.л., из них авторских - 22,0 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 223 наименований и приложений. Работа изложена на 328 страницах основного текста, включает в себя 65 таблиц, 98 рисунков и 31 приложение.

Основное содержание работы

Введение. Обоснована актуальность проблемы, показана связь исследований с государственной программой научного обеспечения агропромышленного комплекса; сформулирована цель исследования, определены объект, предмет и методы исследования, научная и практическая ценность исследования; приведены положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Состояние проблемы и задачи исследования

Виды технологий возделывания сельскохозяйственных (зерновых) культур в основном определяются производимыми в них обработками почвы в ходе подготовки полей к посеву семян. Так, различают традиционную технологию обработки почвы, минимальную и нулевую обработки почвы.

В традиционной технологии производится множество технологических воздействий на почву (ранневесеннее боронование, предпосевные культивации и т.д.) и затем посев. Основной целью является приведение поверхностного слоя почвы в рыхлое состояние.

Минимальная технология выполняется совмещением технологических операций предпосевной подготовки почвы и посева.

Нулевая технология - прямой посев семян в необработанную почву специальными сеялками. Эта технология является самым эффективным по энергозатратам способом возделывания полевых культур.

Выбор технологии возделывания сельскохозяйственных культур должен производиться с учетом конкретных почвенно-климатических условий зоны возделывания, состояния почвенной структуры и воздействия технологии на почву.

Сравнительный анализ воздействий на почву традиционной технологии возделывания сельскохозяйственных культур с многократными проходами МТА по полю и минимальных технологий показал, что минимальные технологии являются почво-, влаго- и энергосберегающими технологиями. В условиях степных зон рискованного земледелия это имеет огромное значение.

Почвы в зоне имеют пылеватую структуру. При возделывании культур по традиционной технологии плотность почв повышается до 1,42…1,44 г/см³, а пористость уменьшается на 9…12%; ветровая эрозия становится более интенсивной, увеличивается доля эрозионно опасных почв.

Исследованиями Э.Ю. Нугиса, А.А. Конева, Г.Г. Черепанова и др. установлено, что при возделывании культур по минимальным технологиям почва приобретает оптимальное сложение, сохраняется влага, повышается урожайность культур, снижается эрозия почв. В этих технологиях количество механических воздействий на почву, включая ее рыхление, сокращается до трех раз, вместо 9…12 в традиционной технологии. Несмотря на очевидные преимущества, они не получили большого распространения, в первую очередь, из-за недостаточной изученности причин сохранения почвой длительное время своего рыхлого состояния и отсутствия научных основ минимизации технологического воздействия на почву.

Анализ современных способов обработки почвы и рабочих органов показал, что в их основе лежит принцип воздействия на почву сжатием, а рабочие органы для их реализации преимущественно пассивного типа. Все это является причиной повышенной энергоемкости обработки почвы.

В земледельческой механике, начиная с ее основателей В.П. Горячкина, Б.А. Криль, М.Н. Летошнева, рассматривались вопросы обработки почвы и рабочих органов для снижения тягового сопротивления. Перспективным направлением развития явилась разработка активных рабочих органов. Почвообрабатывающим фрезам посвящены труды А.Д. Далина, П.А. Некрасова, Б.Д. Докина, И.М. Панова и др.

Несмотря на многочисленные исследования, до сих пор нет рабочих органов, обеспечивающих оптимальное сложение почвы и значительно снижающих энергетические затраты. Одной из причин этого является то, что в земледельческой механике почва рассматривается исключительно на макроуровне (10 ^-1…10 ^-2 см), определившем действующие агротехнические требования к обработке почвы, не адекватные к требованиям растений и природе самой почвы. Кроме того, применяемые в земледельческой механике механические модели почвы, заимствованные из механики сплошных сред, не в полной мере отражают ее состав и структуру.

Теории разрушения почвы в трудах В.П. Горячкина, В.В. Бородкина, В.А. Желиговского, В.И. Виноградова и др., применяемые при разработке способов воздействия на почву и рабочих органов, посвящены исследованию напряженного состояния почвы как однородного твердого тела сплошной структуры. Дав в свое время положительный результат для разработки большинства современных почвообрабатывающих орудий, работающих на принципе сжатия почвенного пласта, они в настоящее время должны быть существенно уточнены.

На основании анализа состояния проблемы для решения поставленной цели определены следующие задачи исследования:

1. Оценить условия функционирования почвообрабатывающих машин на основе анализа и систематизации имеющихся исследований о почве в различных областях науки и обосновать на основе механизмов и процессов, происходящих в почве в естественных условиях, агротехническое требование к её обработке.

2. Теоретически обосновать, используя основные положения энергетических теорий к условиям и задачам земледельческой механики, возможности снижения затрат энергии на обработку почвы.

3. Обосновать уровень технологического воздействия на почву при подготовке к возделыванию зерновых культур в степной зоне.

4. Разработать технические средства для основной и предпосевной обработки почвы, обеспечивающие снижение затрат энергии на операциях обработки почвы.

5. Оценить эффективность основных результатов исследования и дать рекомендации производству по их внедрению.

Основные направления исследования по поставленным задачам выбраны с учетом действующих на почву факторов (рис. 1).

Рис. 1. Факторы воздействия на почву

Почва, ее состав, структура, свойства и т.д. формируются в первую очередь под влиянием окружающей среды, затем - технологических воздействий, способов обработки почвы и рабочих органов. В свою очередь, они должны выбираться в зависимости от состояния почвы, ее структуры.

Энергетические затраты (Э.з.) на возделывание культур в операторной форме имеют вид функции

Э.з. = f (почва, технология возделывания, способ обработки, рабочий орган).

Глава 2. Теоретические основы снижения энергоемкости обработки почвы

Почва (твердая фаза) не является простым набором почвенных частиц, иначе не было бы такого разнообразия ее типов, подтипов и свойств. Поэтому правомерно говорить о почвенной системе как о системе материальных частиц, взаимодействующих между собой по физическим законам.

В почвенной системе действуют внешние и внутренние силы (рис. 2).

К внешним силам относятся гравитационные силы и приложенные нагрузки (на рисунке не показаны). Внутренние - это внутри- и межчастичные силы.

Рис. 2. Силы взаимодействия между частицами черноземов.

Все эти силы создают соответственные энергетические поля. Природа этих сил рассмотрена в трудах Ван-дер-Ваальса, Лондона, Е.М. Лившица, Б.В. Дерягина и др.

Особенностью черноземных почв является взаимодействие частиц одноименного положительного заряда и наименьшая энергия межчастичной связи.

Принято допущение, что к твердой фазе почвы как системе материальных частиц могут быть применены положения классической механики.

Состояние почвенного слоя характеризуют пористость, плотность, температура и влажность. Почва есть макроскопическое тело, поэтому параметры состояния представляют собой макроскопические характеристики. В объеме почвы они не имеют одинакового и постоянного значения. За счет активного влияния окружающей среды и микроскопических процессов, происходящих внутри почвенного объема, они находятся в бесконечном изменении. При этом микропроцессы протекают за счет пространственных неоднородностей этих макрохарактеристик. Например, пространственная неоднородность во влажности вызывает перенос массы влаги за счет микроскопического механизма перераспределения ее в объеме. Этот процесс является диффузией. Теплопроводность появляется за счет неоднородности температуры в объеме, которая вызывает перенос тепловой энергии за счет перераспределения кинетической энергии.

Если принять, как в статистической механике, что почвенный слой как макросистема объемом V состоит из N частиц, каждая из которых подчиняется законам классической динамики, то его микроскопическое состояние как системы определяется точкой в фазовом пространстве 6N измерений с координатами

r₁, …, r_N; p₁, …, p_N,(1)

где r_i - радиус-вектор i-й частицы в пространстве координат, м; p_i - радиус-вектор i-й частицы в пространстве импульсов, кг•м/с.

Нахождение системы в элементарном объеме фазового пространства dr₁ … dr_N; dp₁ …dp_N в окрестности точки (r₁,…,r_N; p₁,…,p_N) в момент времени t определяется вероятностной функцией распределения F_N (t, r₁,…,r_N, p₁,…,p_N) (через dr_i и dp_i обозначены объемы).

При помощи полученной нами функции распределения можно определить макроскопические характеристики системы.

Плотность вещества в точке r

(t, r) = (r) F_N ( t, r₁,..r_N,р₁…p_N ) dr₁…dp_N, (2)

где (r) - оператор плотности, кг/м³.

Плотность кинетической энергии в точке r

E (t, r) = (r) F_N (t, r₁,..r_N,р₁…p_N ) dr₁…dp_N, (3)

где (r) - оператор кинетической энергии, Дж.

Плотность потока массы влаги в точке r

J (t, r) = (r) F_N (t, r₁,..r_N,р₁…p_N ) dr₁…dp_N. (4)

где (r) - оператор плотности потока, кг/м³.

В однородной системе с m_i = m плотность кинетической энергии связана с температурой в той же точке r следующим образом:

E (t, r) = kT (t, r) l/m (t, r) + K (J (t, r)), (5)

где - численный множитель, зависящий от числа трансляционных степеней свободы в системе (для совершенно свободной частицы = 3/2); k - постоянная Больцмана, Дж/К; К - плотность кинетической энергии макропотока в точке r, Дж/с.

Данные макрохарактеристики находятся в непрерывном изменении. Основой же изменений параметров состояния служит микроскопический механизм перераспределения частиц.

Таким образом, статистическая механика позволяет установить происходящие в почвенных слоях процессы переноса тепла, влаги и энергии, а также тепло- и влагообмен между окружающим воздухом и почвой.

Г.Х. Цейтин и А.Ф. Чудновский предложили формулу для определения температуры почвенных слоев по температуре окружающего воздуха на высоте метеорологической будки

,(6)

где х - глубина, на которой определяется температура почвы, м; - изменение времени от = 0 до заданного = (порядка нескольких часов); ( -) - ход температуры воздуха во времени на определенной высоте (высота метеорологической будки 1,5 - 2,0 м), К; dg (x, ) и dW (x, ) - соответственно функции изменения температуры и влажности во времени и по глубине.

По температуре окружающей среды нами, по данным Брединской районной метеостанции Челябинской области, расчетным путем были получены закономерности температурных колебаний в слоях почвы во времени (рис. 3).

В почвенном слое вырабатывается большое количество тепловой энергии. Даже в начале мая, когда температура атмосферного воздуха невысока, в нем выделяется до 80 кДж. А энергия межмолекулярной связи частиц в черноземных почвах составляет порядка 100 кДж. Эта энергия усиливает колебательное движение почвенных частиц, побуждая их к разрыву связей между ними.

Рис. 3. Суточные изменения температуры почвы

Классическая механика, как показано выше, позволяет получать определенные практические результаты. Но установить сам механизм процесса переноса энергии вещества внутри почвы с ее помощью затруднительно. Поэтому возникает необходимость рассмотрения внутрипочвенных процессов с позиции волновой и квантовой механики.

Луи де-Брогль применил положения теории света Эйнштейна к материи. Идея волн материи, связанных с движением материальных частиц, подтвердилась экспериментально. К системе материальных частиц применимы соотношения:

энергия е = ;

импульс р = k;

волновое число k = 1/ ;

длина волны = /mv,

где m - масса частицы, кг; v - скорость частицы, м/с; волновая скорость = с²/ v, м/с.

Для материальных лучей также существуют явления интерференции и дифракции, т.е. они имеют волновую природу. В теории Луи де-Брогля материальные частицы, подобно световым, рассматриваются как квазичастицы, фононы. Подобно электронному газу в кристаллической решетке, в материальном теле между частицами функционирует фононный газ, который описывает тепловое движение атомов. Все виды переносов (перенос массы, энергии и т.д.) происходят посредством этого фононного газа.

Сказанное особенно актуально для почвы как материального тела, ведь в реальности почва не является сплошным телом твердой структуры, в ней много пустот и трещин, взаимодействие между частицами слабое. И дырочный перескок атомов микроскопического механизма переноса к почве, по нашему мнению, неприменим. Почвенные частицы в форме одинаковых шаров расположены в кубической или гексагональной упаковке. Они в молекулярно-кинетической теории совершают колебательные движения вокруг положения равновесия, в совокупности вызывая колебания упаковки в целом. Функция Гамильтона для малых колебаний упаковки

, (7)

где - частота колебания, Гц; Q и P - канонические переменные энергии, Дж.

Каждое слагаемое имеет вид функции Гамильтона одномерного гармонического осциллятора, который в теории Дебая принимается за источник распространяющихся в определенном направлении звуковых волн - фононов. Оно описывает определенное нормальное колебание упаковки, которое представляет собой бегущую волну.

В физической кинетике фононы рассматриваются как квазичастицы, представляющие собой упругие колебания среды. Из всего сказанного следует, что почвенную систему правомерно рассматривать как фононную систему. В почве происходят непрерывные изменения температуры слоев как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, являющиеся следствием тепловых колебаний почвенной среды. Собственные колебания почвенных частиц усиливаются воздействием окружающей среды. Фононы, как квазичастицы, имеют те же характеристики, что и элементарные частицы: время и длину свободного пробега, они могут сталкиваться, отдавать энергию и т.д. Известны уравнения фононной гидродинамики:

;

v = 0;(8)

P_i = _{il l},

где Р - плотность квазиимпульса, (кг•м²)/с; S - энтропия, Дж/К; Т - изменение температуры, К; с - удельная теплоемкость, Дж/кг•К; - скорость дрейфа фононов, м/с; _il - тензор, имеющий размер плотности, кг/м³.

Таким образом, уравнения фононной гидродинамики дают описание теплового движения, где температура определяется как мера средней энергии теплового движения частиц и характеризует равновесное распределение фононов.

Правомерность рассмотрения почвы как фононной системы подтверждается полученными выше расчетами, волнообразным изменением температуры почвенных слоев. Справедливость наличия колебательных квантов показывает также картина распространения звуковых волн в почвенном слое.

Представление почвенной системы как фононной дает возможность установить величину энергии процессов, происходящих в ней.

Состояние фононной системы характеризуют термодинамические функции: энтропия, свободная и внутренняя энергия. Именно как фононная система почва является термодинамической системой.

Механизм переноса тепла в почве был установлен нами при рассмотрении ее с позиции квантовой механики. Процессы переноса совершаются фононами или квантами упругих колебаний среды, возникающих вследствие колебаний почвенных частиц (рис. 4). Интенсивность этих колебаний зависит от энергии межчастичных связей U₀, которая в свою очередь определяется типом почвы и ее структурой.

Контакты между почвенными частицами осуществляются через пленки жидкости 2.



Рис. 4. Фрагмент упаковки почвенных частиц:

1 - почвенные частицы; 2 - жидкостная пленка;

U₀ - энергия взаимодействия между частицами

Термоактивационные процессы происходят как с частицами, так и в молекулярной структуре жидкой пленки. Если величина энергии колебания превышает величину энергии связей между частицами, происходит разрыв этой связи и саморазрушение почвенной структуры.

Тип почвы формируется минеральной основой. Минеральной основой черноземов является монтмориллонитовая группа, химический состав которой выражается формулой MgOAl₂O₃4SiO₂H₂OnH₂О. Энергия связи составляет ? 100 кДж/моль.

Согласно термодинамическому условию прочности, сформулированному И.И. Гольденблатом и А.Ф. Чудновским, напряжение разрыва почвенных частиц

, (9)

где - активационный объем, м³; U₀ - энергия межатомной связи, Дж; k - постоянная Больцмана, Дж/К; - долговечность материала при заданном растягивающем напряжении и абсолютной температуре Т, с; ₀ - период колебания частицы около положения равновесия, с.

С учетом термофлуктуационных процессов накопления разрывов межчастичных связей в зависимости от температуры и времени это уравнение можно записать в виде

, (10)

где Е - модуль продольной упругости, Н/м²; а - длина межатомной связи, м; - длина свободного пробега фононов, м; - разрывное удлинение межатомных связей, м; - коэффициент теплового расширения, К^-1.

По этому уравнению для черноземов при температурах поверхности почвы 20…27⁰С напряжение разрыва почвенных частиц составляет ? 0,4 кг/см².

Поверхность почвы подвергается непрерывному гигротермическому воздействию окружающей среды, вызывающему распад ее структуры. В физико-химической теории известно соотношение Гриффитса, согласно которому прочность тела Р_с пропорциональна поверхностному натяжению у^1/2 (Р_с ~ у^1/2). Сорбционные процессы, по Ребиндеру, приводят к понижению свободной поверхностной энергии почвы, связанной с химическим составом фаз, прочностью почвенной структуры:

F_s = S, (11)

где - удельная поверхностная энергия, Дж/м²; S - площадь поверхности, м².

При взаимодействии тела со средой, содержащей водяные пары, понижение поверхностной энергии выражается зависимостью

 F_s = RT, (12)

где R - универсальная газовая постоянная, Дж/К•моль; Т - абсолютная температура, К; Г - адсорбция водяных паров, м³/м²; d - плотность тела, кг/м³; р - давление паров, Па.

А.Ф. Полаков и В.В. Бобков приводят уравнение предела прочности пористых тел на разрыв, выведенное на основе физико-химической теории прочности

R_p = F_pR^/ = ² ₁(/_к) v₁² S₀ Ф_р , (13)

где F_р - площадь разрыва, м²; - радиус контакта частиц, м; ₁ - удельный вес частиц, Н/м³; - поверхностная энергия, Дж; _к - критическая деформация, м; v₁ - суммарный объем частиц, м³; S₀ - удельная поверхность, м²/г; Ф_р - показатель степени неравномерности размеров частиц в объеме.

Для черноземов по формуле получим, что предел прочности почвенных частиц на разрыв в плотных почвах изменяется в пределах 6,7…31,0 кг/см², в рыхлых почвах - 0,99…4,6 кг/см².

Реологические свойства почвы реализуются ее упругостью и вязкостью, которые формируются в основном за счет почвенной воды, и ее парами, составляющими жидкую и газообразную фазы почвы. Почвенная вода делится на свободную (объемную) и связанную (граничную). В работе приведены структура и свойства объемной воды в крупных капиллярах и пустотах, ее молекулярное строение, силы взаимодействия и энергия молекул, движение молекул и т.д. Рассмотрены водные растворы в почве, их строение, закономерности их формирования.

Связанная вода на поверхностях почвенных частиц имеет особые свойства, сформированные перестройкой сетки межмолекулярных водородных связей под влиянием поля поверхностных сил частиц. Граничные слои воды по сравнению с объемной водой имеют особенности: повышенные вязкость и плотность; пониженные подвижность молекул и растворяющая способность; сниженные температуропроводность и диэлектрическая проницаемость.

На основе данных исследователей была составлена микродинамика граничной воды в черноземах (рис. 5).

Отрицательный атом кислорода воды электростатически связан с положительными ионами поверхности частиц.

Рис. 5. Микродинамика граничной воды:

1, 2 - почвенные частицы;

h - толщина прослойки

Диполи воды расположены по нормали к поверхности. Положительные атомы водорода молекул воды создают отталкивающий эффект между диполями воды, появляется расклинивающее давление, что вызывает расхождение поверхностей (частиц) в тонкой прослойке.

Величина расклинивающего давления зависит от толщины прослойки (Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев и др.). Толщина смачивающих пленок определяется изотермой расклинивающего давления. Формирование граничных пленок и их свойств происходит под влиянием поверхностей частиц и водного раствора.

Естественно предположить воздействие водного раствора, смачивающих пленок на состояние поверхностей частиц и самой частицы. В почве, как в капиллярно-пористом теле, вследствие градиентов различных движущих сил возникают термо-, электро-, капиллярноосмотическое и пленочное течения воды. В результате вода проникает во всю структуру твердой фазы, адсорбируясь в ней, и влияет на ее характеристики.

Минеральной основой черноземов служит монтмориллонитовая группа, в которой в процессе адсорбции выделяется значительное количество тепловой энергии (Ю.И. Тарасевич, Ф.Д. Овчаренко). Ее значение доходит до 14 кДж/моль. Эта тепловая энергия увеличивает энергию колебания почвенных частиц и содействует разрыву связей между ними. К тому же, при нагревании снижается межфазная энергия за счет увеличения взаимной растворимости фаз, уменьшается вязкость связанной воды, возрастают коэффициенты объемной и поверхностной диффузии. Все это способствует снижению прочности твердых тел.

По данным исследователей, в монтмориллонитах существуют четыре вида молекул адсорбционной воды, амплитуда колебаний которых лежит в пределах 3100…3600 см^-1. В результате возникают элементарные волновые процессы, вызывающие механические напряжения в почвенных частицах и агрегатах, приводящие также к снижению их прочности.

Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о том, что под действием почвенной воды происходит разрыхление почвенного слоя.

Обзор ряда исследований (Н.В. Перцов и др.), в которых изучается разрушение горных пород, контактирующих с водными средами, показывает, что в основе процессов разрушения лежат перечисленные выше механизмы.

Приведенное свидетельствует, что почва, почвенные частицы разрушаются под действием граничной, связанной воды. Связанная вода, как показано выше, по характеристикам слабее свободной воды. Следовательно, для интенсификации процессов разрыхления почвы связанную воду необходимо перевести в категорию свободной воды, что возможно с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Повышение или понижение температуры почвы вызывает изменение давления почвенного воздуха (рис. 6). При нагревании почвенного слоя воздух, находящийся в его порах и пустотах, расширяется, и повышается давление на «стенки» пор и пустот. Усиливаются удары молекул воздуха. При давлении, превышающем силу взаимодействия частиц, эти «стенки» разрушаются. При охлаждении же давление в порах и пустотах снижается, что также вызывает деформацию связей почвенных частиц. Таким образом, в результате взаимодействия почвенных частиц, взаимодействия фаз, адсорбции водяных паров из окружающей среды в почве непрерывно происходит процесс саморазрыхления почвы, который наиболее развит в черноземных почвах на карбонатной основе.

Рис. 6. Изменение давления почвенного воздуха

Саморазрыхлению почвы способствует и целый ряд других факторов: процессы увлажнения и высыхания, сопровождающиеся набуханием и усадкой почвенного слоя; разрыхляющее действие корневых систем растений; деятельность микроорганизмов и червей; процессы промерзания и оттаивания почвенного слоя. То есть, в естественных природных условиях происходит разрыхление почвы и без ее механической обработки, из чего следует вывод о возможности минимизации механических технологических воздействий на почву. Это и является основой минимальных ресурсосберегающих технологий.

Способы обработки почвы и рабочие органы для их реализации должны обеспечивать условия для произрастания растений, т.е. отвечать их требованиям. А соответствующие агротехнические требования к качеству обработки почвы, как отмечалось выше, пока не определены.

Этот вопрос рассматривался нами в свете выполненных исследований почвы в различных отраслях науки: почвоведении (В.В. Докучаев, П.А. Костычев, К.К. Гедройц и др.); агрофизике (И.М. Комов, А.Г. Дояренко, А.Д. Воронин и др.); земледелии (Н.М. Тулайков, Т.С. Мальцев, В.А. Ковда и др.); растениеводстве (А.В. Советов, И.А. Стебут, В.Р. Вильямс и др.); земледельческой механике (В.П. Горячкин, В.А. Желиговский, В.И. Виноградов).

На основе их анализа нами выдвинута гипотеза о том, что в составе почвы имеется еще и четвертая, плазменная фаза, которая и является фазой питательных веществ. В нашей формулировке определения почвы указывается, что плазменная фаза, почвенный раствор, и образует основное свойство почвы - плодородие.

Очевидно, что сложение и структура почвы должны создавать ее плодородие, т.е. формировать фазу питательных веществ. И оценка структуры почвы должна соответствовать этому.

Параметры почвенного раствора зависят от пористости почвы, от соотношения некапиллярной и капиллярной пористостей. Физико-химические процессы, непрерывно происходящие в почве, зависят от ее строения (табл. 1).

Из таблицы видно, что поры играют исключительную роль в жизнетворности почв. Но пористость зависит от плотности расположения частиц в объеме. Требуемая плотность почв для возделывания зерновых культур находится в пределах 1,1…1,3 г/см³. При такой плотности обеспечивается оптимальное соотношение капиллярной (24%) и некапиллярной (35%) пористостей.

Пористость и плотность составляют в совокупности удельную поверхность почвы, являющуюся ее фундаментальным свойством. От нее зависят все свойства почвы. Чем больше удельная поверхность почвы, тем больше ее поверхностная энергия, тем выше содержание гумуса, тем благоприятнее условия для роста и развития растений. Следовательно, агротехническим требованием к качеству обработки почвы должна быть удельная поверхность обработанного почвенного слоя.

Таблица 1. Зависимость между пористостью почвы и физико-химическими процессами

Виды пористостей, %	Доля пористостей	Воздухо- проницае- мость, %	Влаж- ность, %	Степень насыще- ния, %	Испаряе- мость, мм/ч	Капилляр- ное подня- тие, мм/сут
Некапиллярная Капиллярная	2,7 44,7	< 0,5	32,20	92	1,58	117,5
Некапиллярная Капиллярная	24,5 25,5	4,0	25,5	51	1,26	20
Некапиллярная Капиллярная	29,6 25,1	100,0	23,0	46	1,15	9
Некапиллярная Капиллярная	35,1 24,5	90,0	21,3	41	0,96	6
Некапиллярная Капиллярная	38,7 23,9	95,0	20,5	37	0,60	2,5

Проведены теоретические и экспериментальные исследованиями по разрушению почвы. Сравнением величин нормальных и касательных напряжений, возникающих в почвенном пласте при воздействии клина, мы установили, что разрушение почвы в состоянии спелости начинается сдвигом по какой-то площадке. Образуется начальная трещина. Упругая энергия, накопленная в пласте при воздействии клина, высвобождаясь через нее, будет одновременно разрывать связи между частицами, продвигая трещину дальше. Развитию трещины будут способствовать и поры, пустоты, не исчезнувшие при сжатии пласта. Первоначальный сдвиг одних частиц сопровождается в дальнейшем отрывом друг от друга других частиц при межзеренном их скалывании или же будет происходить внутризеренное скалывание частиц. В результате происходит сложное разрушение пласта сдвигом с отрывом.

В порах же развивается давление почвенной влаги, она устремляется в трещину, играет роль клина и продвигает ее дальше. При этом поровая вода служит и своего рода смазкой между поверхностями трещин, сильно облегчая их развитие.

Поверхность разрушения развивается неоднозначно, имеет ступенчатый характер, который становится вовсе непредсказуемым вследствие скоростного режима обработки почвы. Количество факторов, влияющих на процесс разрушения, возрастает, силовые факторы меняются ежесекундно. Значительны будут динамические колебания частиц. Скорость изменения порового давления также будет большой. Поэтому точное определение величины и направления разрушающей силы вряд ли осуществимо. Целесообразнее определять энергию, расходуемую на процесс.

По Гриффитсу, энергия, расходуемая на разрушение материала, равна поверхностной энергии образовавшейся трещины:

, (14)

где Рv/2 - накопленная в пласте в результате сжатия потенциальная энергия, Дж; ?²²/2Е - потенциальная энергия, освобождающаяся через образовавшуюся трещину (плоскость) сдвига, Дж; 4?S_п - поверхностная энергия образовавшейся трещины, Дж.

Преобразуя это уравнение, мы получили величину энергии крошения почвы

А_п = у_п (УП_агр - УП_д) , (15)

где у_п - поверхностное натяжение почвенной частицы, Н/м; УП_агр - агротехнически необходимая удельная поверхность почвы, м²/г; УП_д - действительная удельная поверхность почвы, м²/г.

За УП_агр принимаем удельную поверхность черноземов в естественном рыхлом сложении - 130 м²/г. Действительная удельная поверхность черноземов степных зон находится в пределах 90 м²/г.

Для крошения почвенного пласта плотностью 1,5 г/см³ требуется затратить энергию, равную 436 кДж. Сила сжатия, обеспечивающая такую энергию крошения, определяется уравнением

U_общ = , (16)

где U_общ - общая энергия крошения, Дж; Р_сж - общая сила сжатия пласта, Н; L_п - длина пласта, м; Е_с - модуль сжатия пласта, Па; a, b - толщина и ширина пласта, м.

Она равна 6045 Н. Согласно экспериментальным данным Ю.В. Луканина, такая сила сжатия возникает при скоростях движения более 14 км/ч. Рабочие же скорости плугов составляют 8…10 км/ч, при которых необходимая сила сжатия пласта не создается. Для ее создания потребуется более чем в 1,5 раза увеличить скорость движения. Это приведет к росту тягового сопротивления, что еще больше увеличит энергоемкость обработки почвы. Следовательно, необходимы способы обработки почвы и рабочие органы, работающие на других принципах воздействия на почвенный пласт, а не принципе его сжатия, по которому в настоящее время работают почвообрабатывающие орудия.

Разработана реологическая модель почвы и на ее основе рассмотрены различные виды воздействия на почвенную структуру (рис. 7).

Рис. 7. Реологическая модель почвы:

H, N, StV - элементы упругости, вязкости и сухого трения; нижние индексы 1, 2, 3 - макроагрегат, микроагрегат и элементарная почвенная частица; верхний индекс 1 - момент проявления элементов

При воздействии на почву сжатием (рис. 7, а) возникающие в ней напряжения определяются уравнением математической модели

, (17)

где ф₀ - начальное напряжение сдвига, Па; е - основание натурального логарифма; G - модуль сдвига, Па; з_N, з_K - соответственно коэффициенты вязкости элементов, Па·с; - скорость деформации, м/с; л_М - коэффициент пропорциональности;

При воздействии на почву растяжением (рис. 7, б), возникающие в ней напряжения определяются уравнением второй математической модели

 ; (18)

Сравнением этих уравнений получим, что при растяжении почвенной структуры возникающие в ней напряжения меньше, чем при ее сжатии. Реологическая модель наглядно показывает, что почва обладает структурной вязкостью.

Этот вывод подтвердили кривые деформирования почвы (рис. 8), построенные нами по экспериментальным данным исследователей, приведенных Д.И. Золотаревской. На начальном этапе почвенная структура не нарушена, она обладает максимальной вязкостью, в конечной же стадии структура нарушена и вязкость минимальна. Сопротивление почвы не имеет постоянного характера ни по величине, ни по направлению. Следовательно, рабочий орган должен быть с переменными формой и геометрией поверхностей скольжения почвы или комбинированным.

Рис. 8. Реологическая кривая тяжелосуглинистого чернозема (плотность 1,66 г/см³, относительная влажность 0,66)

Способ обработки почвы должен обеспечить требуемое качество работы при наименьших затратах энергии.

Расход энергии на обработку единицы объема почвы

А_уд = , (19)

где Pv - работа, производимая в единицу времени (Р - сила тяги орудия, Н; v - скорость движения агрегата, м/с); abv - объем почвы, обрабатываемый в единицу времени (а, b - глубина и ширина обрабатываемого почвенного слоя, м).

По В.П. Горячкину, объем почвы, обрабатываемый в единицу времени

abv = , (20)

где A(B-Cv^m)v - характеристики трактора; - характеристики плуга.

...