TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA 3/2011
dr in¿. Wojciech STASIAK
Politechnika Warszawska
Szko³a Nauk Technicznych i Spo³ecznych w P³ocku Instytut In¿ynierii Mechanicznej
Streszczenie
Sformu³owano wstêpne za³o¿enia do opracowania modelu rozk³adu naprê¿eñ w funkcji iloœci przejazdów. Zaprezentowano wyniki pomiarów laboratoryjnych, które prowadzono na kanale glebowym z wykorzystaniem urz¹dzenia pomiarowego „Trak”.
WP£YW WIELOKROTNOŒCI PRZEJAZDU OPONY
PO TYM SAMYM ŒLADZIE NA
ROZK£AD NAPRʯEÑ W GLEBIE
Wprowadzenie
Wp³yw wielokrotnoœci przejazdu na zagêszczenie gleby
W ostatnich latach zwrócono szczególn¹ uwagê na potrzebê ochrony gleby. Uznano, i¿ nadmierne zagêszczenie jest g³ównym aspektem wp³ywaj¹cym na jej degradacjê [2]. Wysokie wymagania w odniesieniu do wydajnoœci zmuszaj¹ do stosowania maszyn we wszystkich rodzajach prac polowych. Przyczyn nadmiernego zagêszczenia gleby mo¿na siê doszukiwaæ we wzroœcie wymiarów geometrycznych stosowanych maszyn, a zatem równie¿ ich masy, oraz rosn¹cej intensyfikacji prac polowych. Nale¿y d¹¿yæ do tego, aby mechanizmy jezdne maszyn i urz¹dzeñ rolniczych osi¹ga³y maksymalne si³y trakcyjne, a jednoczeœnie wywiera³y mo¿li-wie najmniejsze naciski jednostkowe na pod³o¿e. Niski poziom plonów mo¿e byæ bowiem efektem zarówno niskiej sprawnoœci prac polowych, jak i skutkiem zagêszczenia gleby.
Stwierdzono, ¿e podczas wykonywania zabiegów agrotechnicznych ci¹gnik przeje¿d¿a od 20 do 100 km na hektar powierzchni rocznie, niejednokrotnie po tym samym œladzie [2]. Sumaryczna powierzchnia œladów kó³ piêciokrotnie przewy¿sza powierzchniê pól przy uprawie zbó¿ i oœmiokrotnie przy uprawie okopowych [7]. O ile zagêszczona górna warstwa gleby, do g³êbokoœci oko³o 30 cm podlega zabiegom spulchniania, to gleba poni¿ej ulega stopniowej degradacji w wyniku kumulacji zagêszczenia [8]. Powszechnie stosowane zabiegi spulchniaj¹ce powoduj¹ rozluŸnienie jedynie górnej warstwy gleby, zaœ stan g³êbszych warstw cechuje siê nadal niekorzystnymi w³aœciwoœciami [3].
W aspekcie powy¿szych rozwa¿añ, wa¿nym zagadnieniem staje siê koniecznoœæ okreœlenia wp³ywu wielokrotnego przejazdu mechanizmu jezdnego po tym samym œladzie, na wielkoœæ naprê¿eñ wystêpuj¹cych w glebie.
W trakcie zabiegów agrotechnicznych mamy do czynienia z wielokrotnym przejazdem maszyn i ci¹gników rolniczych po polu, niejednokrotnie po tym samym œladzie. W wyniku tego powstaj¹ lokalne pasma gleby o silnym ugnieceniu w stosunku do pozosta³ego area³u.
Wa¿nym czynnikiem wp³ywaj¹cym na wielkoœæ naprê¿eñ w glebie jest pomiar g³êbokoœci koleiny po kolejnych przejazdach.
Badania Buehle'go, przeprowadzone na glebie piaszczystej, wykaza³y, ¿e 70-90% ca³kowitego odkszta³cenia wywo³ane jest przejazdem pierwszego ko³a [1]. Potwierdzaj¹
to badania Swansona (dla gleby piaszczystej) [13] oraz Holma (dla gleby o wilgotnoœci 16-23%) [1], gdzie pierwszy przejazd powodowa³ powstanie 80% g³êbokoœci koleiny.
Wielokrotny przejazd po tym samym œladzie ka¿dorazowo powoduje wzrost g³êbokoœci koleiny. Schmid i Ludewig [9] sformu³owali równanie (1) opisuj¹ce przyrost zag³êbienia opony przy wielokrotnym przejeŸdzie:
, (1)
- obci¹¿enie pionowe opony, - zastêpcza œrednica opony, - szerokoœæ opony,
- zag³êbienie po pierwszym przejeŸdzie, D - przyrost zag³êbienia,
- liczba przejazdów,
- modu³ odkszta³calnoœci gleby.
Jakliñski [5] zaobserwowa³, ¿e wartoœæ zag³êbienia d¹¿y wraz ze wzrostem liczby przejazdów asymptotycznie do wartoœci ustalonej (rys. 1, 2).
Wartoœæ przyrostu zag³êbienia opisana jest równaniem:
, (2)
gdzie:
- zag³êbienie po pierwszym przejeŸdzie, - i-ty przejazd. gdzie: G D B z z n k
Rys. 1. Oznaczenie przyrostu zag³êbienia koleiny przy wielokrotnym przejeŸdzie
Fig. 1. Determination of increase of rut depth after repeated wheeling z n * o 1 i * 2 2 2 2 3 2 1 B k z D z z n G z n o o÷÷ø ö ççè æ + D » D ú û ù ê ë é ÷÷ø ö ççè æ -= D i n z z 2 1 exp 1 1 dla ni ³2
Rys. 2. Modelowy przebieg zmiany g³êbokoœci koleiny przy wielokrotnym przejeŸdzie
Fig. 2. The course of change in rut depth after repeated wheeling
Rys. 3. Wp³yw wielokrotnoœci przejazdu na rozk³ad naprê¿eñ w glebie na g³êbokoœci 15 cm
Fig. 3. The effect of tyre repeated wheeling on stress distribution in the soil at depth of 15 cm
p n k
W badaniach Schmida i Ludewiga [9] przyjêto, ¿e naciski wywierane na glebê przy wielokrotnym przejeŸdzie ko³a bêd¹ osi¹ga³y takie same wartoœci, jak na pod³o¿u sztywnym.
Horn [4] natomiast wykazuje, i¿ wielokrotnoœæ przejazdu wp³ywa na wzrost naprê¿eñ w glebie a¿ do 7-10 przejazdu (rys. 3), po czym naprê¿enia osi¹gaj¹ ustalon¹, maksymaln¹ wartoœæ.
Analiza danych literaturowych oraz wyników prowa-dzonych badañ laboratoryjnych pozwoli³a na przyjêcie za³o¿enia, ¿e naprê¿enia w glebie w funkcji iloœci przejazdów bêd¹ wzrastaæ asymptotycznie do wartoœci ustalonej. Charakter przebiegu zmian naprê¿eñ w funkcji iloœci przejazdów przedstawiono na rys. 4.
Mo¿na przyj¹æ, ¿e przebieg tych zmian najdok³adniej opisywaæ bêdzie krzywa wyk³adnicza:
, (3)
gdzie:
- wartoœæ naprê¿enia po pierwszym przejeŸdzie, - i-ty przejazd,
- wspó³czynnik obliczeniowy, zale¿ny od przyrostu g³êbokoœci koleiny oraz pionowego przemieszczenia gleby.
Wstêpne za³o¿enia do opracowania modelu rozk³adu naprê¿eñ w glebie przy wielokrotnym przejeŸdzie
1 i ÷÷ø ö ççè æ × -× = i i i n k n p p 1 exp 1
Rys. 4. Przebieg zmian naprê¿eñ w funkcji iloœci przejazdów Fig. 4. The course of stress changes as a function of wheeling number k G p V h h h h h
Wartoœæ naprê¿enia po pierwszym przejeŸdzie mo¿e byæ obliczona z wykorzystaniem wczeœniej zaproponowanego przez autora równania [11].
W dalszych badaniach wa¿nym krokiem bêdzie wyzna-czenie wystêpuj¹cego w równaniu wspó³czynnika obliczeniowego oraz wp³ywu przyrostu g³êbokoœci koleiny i pionowego przemieszczenia gleby, podczas wielokrotnych przejazdów, na jego wartoœæ.
Badania laboratoryjne [6] przeprowadzono w Instytucie In¿ynierii Mechanicznej Politechniki Warszawskiej w P³ocku, na kanale glebowym, z wykorzystaniem urz¹dzenia do badañ trakcyjnych pojedynczych mechanizmów jezdnych „Trak” [10].
Przedmiotem badañ by³a napêdowa opona rolnicza Good-Year o wymiarach 14.9/13-28. Pomiary przeprowadzono na glebie naturalnej gliniasto-piaszczystej o wilgotnoœci 10,8%. Obci¹¿enie ko³a w czasie badañ by³o sta³e i wynosi³o = 10 kN, przy ciœnieniu powietrza w dêtce = 100 kPa i prêd-koœci przetaczania 0,21 m/s.
Naprê¿enia w glebie w osi koleiny mierzono z wy-korzystaniem membranowych czujników tensometrycznych na piêciu g³êbokoœciach: = 0,1 m, = 0,2 m, = 0,3 m,
= 0,4 m, = 0,5 m [12].
Opona by³a przetaczana dziewiêciokrotnie po tym samym œladzie, przy czym pomiarów naprê¿eñ dokonywano po pierwszym, trzecim, pi¹tym, siódmym i dziewi¹tym przeje-Ÿdzie.
Œrednie wartoœci naprê¿eñ w glebie przy wielokrotnym przejeŸdzie po tym samym œladzie dla piêciu g³êbokoœci pomiarowych przedstawiono na rys. 5.
Po ka¿dym z dziewiêciu przejazdów mierzone by³o zag³êbienie opony w glebie. Wartoœci œrednie g³êbokoœci powsta³ej koleiny przedstawiono na rys. 6.
Po wykonaniu dziewiêciu przejazdów dokonano równie¿ pomiaru przemieszczenia pionowego czujników u¿ytych w tra-kcie badañ (rys. 7).
Wyniki pomiarów laboratoryjnych
o p
1 2 3 4 5
Rys. 5. Rozk³ad naprê¿eñ w glebie przy wielokrotnym przejeŸdzie dla piêciu g³êbokoœci pomiarowych
Fig. 5. Stress distribution in soil after repeated wheeling for five measurement depths
Rys. 6. Wartoœci œrednie g³êbokoœci koleiny przy wielokrotnym przejeŸdzie
Fig. 6. The average values of rut depth after repeated wheeling
Rys. 7. Przemieszczenie pionowe czujników pomiarowych po 9 przejazdach
Fig. 7. Vertical movement of the sensors after nine wheelings
THE EFFECT OF TYRE REPEATED WHEELING ON STRESS DISTRIBUTION IN THE SOIL
SummaryThe paper describes the effect of tyre repeated wheeling on stress distribution in the soil. It includes preliminary assumptions necessary for elaborating the model of stress distribution in function of wheeling number. The next part shows the results of laboratory tests carried out in the soil test channel, where the research equipment „Trak” was used.
Podsumowanie
Literatura
Wielokrotny przejazd mechanizmu jezdnego po tym sa-mym œladzie znacz¹co wp³ywa na wzrost ugniecenia gleby. To negatywne oddzia³ywanie jest szczególnie widoczne w g³êb-szych warstwach gleby, gdzie powszechnie stosowane zabiegi spulchniaj¹ce nie daj¹ oczekiwanych efektów.
Opracowuj¹c wstêpny model rozk³adu naprê¿eñ przyjêto, ¿e naprê¿enia w glebie w funkcji iloœci przejazdów bêd¹ wzrastaæ asymptotycznie do wartoœci ustalonej. Za³o¿enie to potwierdzaj¹ przeprowadzone badania laboratoryjne. Wynika z nich, ¿e iloœæ przejazdów powoduje wzrost naprê¿eñ, nie-zale¿nie od rozpatrywanej g³êbokoœci. Wzrost ten najbardziej widoczny jest miêdzy pierwszym a siódmym przejazdem, natomiast kolejne przetaczania nie spowodowa³y widocznych ró¿nic w wartoœciach naprê¿eñ.
Najwiêkszy wzrost g³êbokoœci koleiny nastêpowa³ po pierwszych trzech przejazdach. Mo¿na przyj¹æ, ¿e kolejne przejazdy nie mia³y widocznego wp³ywu na zag³êbienie opony. Fakt ten wydaje siê mieæ du¿e znaczenie na rozk³ad naprê¿eñ w glebie.
Wa¿nym czynnikiem, przy dalszych pracach nad oma-wianym modelem, bêdzie równie¿ przemieszczenie pionowe czujników pomiarowych (a co za tym idzie przemieszczenie gleby), co powinno zostaæ uwzglêdnione w wystêpuj¹cym w równaniu wspó³czynniku obliczeniowym .k
[1] Byszewski W., Haman J.: Gleba, maszyna, roœlina. PWN, Warszawa, 1977. [2] Commission of the European Communities Communication from the Commission to the Council, the European Parliament, the Economic and Social Committee and the Committee of the Regions Towards a Thematic Strategy for Soil Protection. Bruksela, 2002, s. 35.
[3] Hakanson I.: Swedish experiment on the persistence of subsoil compaction caused by vehicles with high axle load. Soil & Tillage Research, 29, s. 105-110, 1994.
[4] Horn R.: Stress strain dependent changes of soil structure in arable and forest soils - consequences for the environment. Plant growth in relation to soil physical conditions. Institute of Agrophysics PAN, Lublin 2004, s. 57-66. [5] Jakliñski L.: Modele oddzia³ywania ko³a pneumatycznego na glebê. Prace Naukowe, Mechanika, z.175, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1999.
[6] Kruszewski Z., Jakliñski L., Michalak G.: Ocena rozk³adu naprê¿eñ powstaj¹cych w glebie przy ruchu po niej mechanizmów jezdnych. Sprawozdanie IMiUR, NB-202/2 Etap III, P³ock, 1985.
[7] Niemczyk H.: Znaczenie œcie¿ek przejazdowych w ograniczaniu niekorzystnego oddzia³ywania kó³ agregatów rolniczych na w³aœciwoœci fizyczne gleby i plonowanie roœlin. Annales UMCS, Sec. E, Lublin, 2004, 59, 2, s. 913-922.
[8] Nosalewicz A.: Ocena wp³ywu przejazdów ciê¿kich maszyn rolniczych na zagêszczenie gleby przy u¿yciu modelu SOCOMO. Acta Agrophysica, Lublin, 2005, 6(3), s. 753-759.
[9] Schmid I. C.: Interaction of vehicle and terrain results from 10 years reasearch at IKK. Journal of Terramechanics, 1995, Vol.32, No.1, s. 3-26. [10] So³tyñski A.: Trak - stanowisko do laboratoryjnych badañ trakcyjnych pojedynczych mechanizmów jezdnych pracuj¹cych w glebie. IBMER, Warszawa, 1969, Nr 3(62).
[11] Stasiak W.: Modele propagacji nacisków w glebie generowanych przez oponê. Rozprawa doktorska, P³ock, 2003.
[12] Stasiak W.: Przegl¹d dotychczasowych rozwi¹zañ konstrukcyjnych czujników tensometrycznych do pomiaru nacisków jednostkowych oraz ich nowe tendencje rozwojowe. VII Sympozjum im. Prof. Cz. Kanafojskiego, t. 2, s. 236-241, P³ock, 1997.
[13] Swanson G.D.: Studies of single and tandem rigid wheel performance in sand. Journal of Terramechanics, 1973, No.10, s. 9-47.
