Хорошая аэрация является необходимым условиям поддержания биологической активности почвы, кроме того, аэрация определяет корневое дыхание. Почвенный воздух, представляя собой газовую фазу почвы, принимает активное участие в почвенных процессах. Бесструктурной уплотненной почве антогонизм между водой и воздухом выражен особенно резко. Помимо структуры на содержание воздуха в почве влияет и плотность ее сложения, чем более уплотнена почва, тем меньше в ней воздуха; рыхление, естественно, усиливает аэрацию. Сельскохозяйственная культура (схк) рядом воздействий, ведущий к разрыхлению или уплотнению почвы, к созданию структуры сильно влияет на снабжение почвы воздухом. Важным моментом, влияющим на аэрацию почв является водопроницаемость слоев почвенного профиля [4].
Основное назначение аэрационного дренажа (АД) – улучшения водно-воздушного, солевого и теплового режимов тяжелых почвогрунтов с целью повышения плодородия и урожайности схк. Технология устройства АД должна призвана для обеспечения эффективности и долговечности его работы. Но до настоящего времени такой дренаж применялся и изучался лишь в зоне осушения в качестве кротового дренажа (КД), т.е. для отвода излишних вод. Влияние его на почвенные процессы в аридной зоне пока не исследовано, хотя важность проведение таких исследований диктуется насущными потребностями с/х производства. Кротование грунтов сопровождается рыхлением верхнего растительного слоя и формированием полости торпедоподобным пассивным рабочим органом. Основным типом рабочего оборудования для нарезки дрен является плоский нож с установленным в основании наконечником различной формы.
Применение КД обусловлено двумя причинами: отсутствие экономичного и удобного подвижного источника мощности, приводящего в движение плуг; ограниченная возможность контролирования плуга в работе. Принцип КД заключается в следующем. Тонкий лемех с имеющимся на его основании специальным устройством, формует при движении лемеха устойчивый туннель. Это достигается за счет использования торпедообразного расширителя. Формирование кротовин происходит в процессе блокированного резания массива грунта. По теории Ю.А. Ветрова [3] процесс разрушения грунта возможно рассматривать как блокированное, полублокированное или свободное резание в зависимости от условий резания. При этом разрушение грунта рассматривается как сложный процесс, при котором происходит смещение частиц в сторону дневной поверхности – докритическая глубина резания и вдавливание частиц в стенки монолита грунта – критическая глубина резания.
Установлено, что резание грунта на глубине 30-40 см /докритической/, т.е. с отделением стружки, энергетически более эффективно [8], чем при критической глубине резания. Характер разрушения грунта ножевыми рабочими органами определяется изменением параметров зоны пластической деформации перед лобовой поверхностью ножа [3]. Шемякин Е.И. [7] отмечает две зоны разрушения перед рабочим органом: первая зона примыкает к рабочей поверхности наконечника и характеризуется разрушением за счет раздавливания /снятие и переизмельчение грунта/, вторая – зона трещинообразования /объем между первой зоной и цементом/.
Буравцев В.Н. [5] и Томин Е.Д. [8] характеризуют два типа ядра уплотнения. Первое – ядро в виде нароста перемещается совместно с рабочим органом. Ядро вторичного типа перемещается по поверхности рабочего органа, уплотняя вытесняющий грунт вплоть до его разрушения. Ветров Ю.А. определил параметры прорези в зависимости от свойств грунта [3]. Установлено, что при блокированном резании прорезь имеет трапецеидальное сечение. Ровенский М.И. и Телушкин В.Л. установили зависимость параметров прорези от параметров рабочего органа [6]. Многочисленными исследованиями определен оптимальный угол резания рабочих органов пассивного действия, который находится в пределе от 30 до 350 [7].
С целью снижения сопротивления резанию рабочие органы рыхлителей и дреноукладчиков выполняют с траекторносмещенными элементами [8]. Выполнение режущих кромок зубьев смещенными относительно друг-друга в направлении, обратном движению, позволяет по сравнению с традиционным сплошным ножом в 2 раза уменьшить уплотнение грунта околощелевой зоны. При этом удельное сопротивление резанию составляет минимальное значение. Теоретический анализ работы рабочих органов со смещенными режущими элементами представлен в работах Баловнева В.И. [2] и Хмары Л.А. [6].
Для улучшения загрузки базовой машины в рыхлителях монтируют опережающие боковые зубья, максимальное заглубление которых меньше, чем среднего зуба /5/. Однако, в силу того, что рабочие органы буксируются одновременно к существенному силы тяги, расстановка режущих элементов по данной схеме не приводит. Весьма интересным является направление исследований по снижению тяговых условий на основе разработки новых способов формирования земляных дрен, что наряду с увеличением производительности позволяет значительно улучшить функционирование дрен по сравнению традиционными.
Снижение энергоемкости возможно достичь при образовании боковых борозд на 0,3 м глубины основного рыхления. Авторы не предложили аналитического решения, что затрудняет определить оптимальные параметры рабочего оборудования. БаладинскимВ.Л. установлено, что при рыхлении-кротовании влияние скорости резания при определении силы резания может не учитываться [1]. Основные положения теории резания грунтов изложены в работах Баловнева В.И., Ветрова Ю.А., Горячкина В.П., Долина А.Л., Домбровского Н.Г., Зеленина А.Н., Федорова Д.И., Турецкого Р.Л. и др. [2,3,5,6,9].
Рассмотрим аналитические и эмпирические решения данных положений на предмет исследования для разработки оборудования по устройству АД. При этом следует учитывать два основных подхода к выбору решения: во-первых, возможность максимального разрыхления почвы рабочим органом с целью возможности аккумуляции влаги в пахотном горизонте; во-вторых, обеспечение устойчивости работы КД без существенного снижения коэффициента фильтрации придренной части грунта с целью быстрого сброса излишка грунтовых и поверхностных сточных вод в период вегетации растений. Баловнев В.И. [2] взаимодействие рабочего органа со средой сопротивления представляет в виде суммы: P = P1 + P2 + P3 +P4 /1/
где: P1 – сопротивление, обусловленное проявлением массовых сил, величина которых пропорциональна кубу линейного размера системы; P2 - сопротивление, обусловленное действием поверхностных сил, величина которых характеризуется предельными значениями сцепления, сдвига, отрыва и пропорциональна квадрату линейных размеров системы; P3 - сопротивление, являющееся результатом действия сил пропорциональных единице длины и действующее в области лезвия и площадки износа; P4 - силы, приложенные к системе сосредоточенно, например, сопротивление отдельных включений.
Определение сил сопротивления обусловлено разработкой эмпирических зависимостей на основе испытаний моделей разной величины в грунтах естественного залегания. На основе экспериментальных исследований получаем систему уравнений:
Р1м + Р2м + Р3м = Рм; Р1м k3 l1+ Р2м k2 l1+ Р3м k l1 = Р1м; Р1м k3 l2+ Р2м k2 l2+ Р3м k l3 = Р11м /2/
где: k l1 - k l2 – максимальные коэффициенты.
Рассчитав величины Р1м , Р2м , Р3м , можно определить сопротивление натурному образцу: Рм = Р1м k3 l+ Р2м k2 l+ Р3м k l /3/
Весьма эффективный способ расчета сил резания предложен Ветровым Ю.А. [3]. Метод Ветрова Ю.А. основан на процессе энергоемкости резания в центральной и боковой частях прорези. Среднемаксимальная сила резания определяется по зависимости:
Рm = Рсв+ Рбок+ Рбок.ср /4/
где: Рсв= рсв Fсв ; Рбок= рбок Fбок ; Рбок.св= рбок.св hбок.св; Рm – среднемаксимальная сила резания; Рсв, Рбок - удельные силы разрушения грунта, соответственно, в лобовой части и боковых расширениях прорези, н/см2; Fбок ; Рбок – площади лобовой и боковой части поперечного сечения прорези, см2; рбок.св – удельная сила среза грунта боковыми ребрами ножа, н/см2; hбок.св – суммарная длина бокового среза грунта, см. Fсв = BH /5/
где: B – ширина среза, см; H – глубина среза, см.
Сила блокированного резания грунта простым острым ножом определяется по зависимости: Рm = 
mсв BH + 2mбок Н2 + 2mбок.ср Н /6/
где: mсв, mбок, mбокср – опытные коэффициенты; 
– коэффициент, зависящий от угла резания.
При резания по полусвободной схеме, второй и третьей члены зависимости /В/ уменьшаются вдвое, а при свободном резании остается только первая составляющая. Опытные коэффициенты определяются в результате испытаний, некоторые из которых приведены в таблице. Таблица.
Значение коэффициентов для различных типов грунтов
|
Тип грунта |
mсв |
|
kэ |
|
Суглинок коричневый |
9,7 |
0,78 |
0,82 |
|
Тяжелый суглинок коричневый, влажный |
5,4 |
0,66 |
0,8 |
|
Глина коричневая, влажная |
3,1 |
0,66 |
0,90-0,94 |
|
Серо-зеленая мергелистая глина |
17,4 |
0,78 |
0,82 |
|
Аргелит |
6,4 |
0,78 |
- |
Расчет сил резания сложными ножами определяется по зависимости:
Рm = Рсв 
+Рбок 
+Рбок.ср 
i+
/7/
где: 
, 
– частное площади и длины линий среза.
Предложенные зависимости по данным Баловнева В.И. [2] дают большую сходимость с экспериментальными данными. Среднее значение силы резания определяется по формуле: Рср = kэ Pm /8/
где: kэ = Рср / Pm – коэффициент энергоемкости.
Для определения численных значений силы резания Зеленин А.Н. [5] предложил использовать следующую зависимость:
Р = Сh1,35 (1+0,1В)(1 - 
β /9/
где: С–коэффициент, численно равный количеству ударов плотномера ДорНИИ для данного грунта; h–глубина резания; α–угол резания; В-ширина профиля; β-коэффициент, учитывающий угол заострения профиля.
Структура этой формулы соответствует увеличению силы резания с увеличением глубины [5]. Многими учеными предпринимаются попытки разработки аналитической теории резания грунта. Одно из основных направлений основывается на положениях теории предельного равновесия грунтов, связанных с определением пассивного давления грунта на подпорные стенки. Критерием равновесия в этой теории служит известный закон Кулона-Мора: 
= 𝛔ntg
+ Cw /10/
где: 
– касательное напряжение в рассматриваемой точке сыпучей среды; 
- нормальное напряжение; 
- уголь внутреннего трения; Cw – коэффициент сцепления.
Однако, применение аналитических зависимостей в практических расчетах весьма ограничено. Они используются либо для ориентировочных расчетов[3], либо для оценки перспективных моделей рабочих органов машин. Использование аналитических зависимостей затруднено в первую очередь сложностью определения характеристик грунта и громоздкостью расчетов [2].
Таким образом, разработка методов инженерных расчетов может базироваться на интегральных показателях свойств. При этом наиболее приемлемым способом определения сил резания является метод физического моделирование [6].
Литература:
1. Баладинский В.Л. Динамические разрушение грунтов. –К.: КГУ, 1971. -146с.
2. Баловнев В.И. и др. Эффективное рыхлительное оборудование. //Механизация строительства. -1982. -№5. –с.- 20-21.
3. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами.–М.:Машиностр.1971.-360с.
4. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. Издательство. Высшая школа. Москва. 1968. 289с.
5. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керов Н.П. Машины для земляных работ. –М.: Машиностроение. 1975. -с.72-98
6. Данатаров А. Технология нарезки аэрационного дренажа и эффективность его работы в условиях аридной зоны. Дис. к.т.н. Киев. -1994. с.4-217.
7. Шемякин Е.И. К изучению механики разрушения прочных горных пород ударными нагрузками. //Вопросы механизма разрушения горных пород. –Новосибирск: 1976. с.3-14.
8. Томин Е.Д. Бестраншейное строительство закрытого дренажа. –М.:Колос. 1981. -118с.
9.Турецкий Р.Л. Резание мелиорируемых грунтов и интенсификация рабочих процессов машин для осушения и освоения земель Нечерноземной зоны: А/р.дис.д.т.н. Минск.-1981.
