Metody wyznaczania naprężeń i przemieszczeń w glebie pod obciążeniem

naprężenia i deformacje gleby, interakcje gleba-koło

Dynamiczny rozwój techniki, którego efekty obserwujemy i wykorzystujemy w każdej nieomal dziedzinie życia powoduje, że dzisiejsze rolnictwo przeżywa ewolucyjne zmiany i przede wszystkim podnosi się poziom mechanizacji prac polowych. Wysokie wymagania wydajności zmuszają do stosowania maszyn we wszystkich niemal rodzajach prac polowych, począwszy od przygotowania gleby, nawożenia, prac opryskowych aż po zbiory. Taki stan rzeczy sprawia, iż gleba, naturalny materiał o dużym stopniu rozdrobnienia, niskiej wytrzymałości mechanicznej i szczególnie dużej podatności na zagęszczanie, staje się podłożem trakcyjnym pojazdów uczestniczących w pracach polowych. Elementy jezdne wymagają określonych wartości naprężeń stycznych i nośności w celu uzyskania pożądanej siły trakcyjnej. Podstawowy problem polega na sprzeczności: z jednej strony oczekuje się luźnej struktury ośrodka glebowego, niskiego zagęszczenia i odpowiedniej wilgotności, z drugiej zaś strony optymalne podłoże trakcyjne cechuje duże zagęszczenie oraz możliwie niski poziom wilgotności. Co więcej, na ironię, prace polowe zmierzające do poprawienia stanu gleby, powodują obniżenie jej własności trakcyjnych i odwrotnie, korzystny stan podłoża trakcyjnego oznacza zawsze pogorszenie warunków wzrostu roślin. Niski poziom plonów może być skutkiem zagęszczenia gleby, ale także może być efektem niskiej sprawności prac polowych prowadzonych w warunkach wysokiej wilgotności gleby. Istnieje wiele zaleceń dla użytkowników ciągników i maszyn rolniczych, prowadzących do optymalizacji ich ruchu na podłożu naturalnym: – stosowanie lekkich ciągników i maszyn - przeszkodą mogą być wymagania intensywności prac polowych, które pociągają za sobą konieczność stosowania odpowiednio mocnych a więc i ciężkich maszyn; – stosowanie opon niskociśnieniowych, kół bliźniaczych, układów wieloosiowych - takie rozwiązania obniżają trakcyjne własności pojazdów w przypadku ruchu po drodze twardej, przez co zmniejszona jest ich uniwersalność; – grupowanie prac agrotechnicznych stosowanie agregatów wieloczynnościowych - często trudne do realizacji w praktyce ze względu na niską dostępność tego typu urządzeń; Osobno można wyróżnić zadania jakie stoją przed konstruktorami pojazdów i maszyn dla rolnictwa: – konstrukcje nowych rozwiązań opon, umożliwiających uzyskanie powiększonej powierzchni czynnego kontaktu z glebą oraz nowych rozwiązań bieżnika, którego zadaniem jest uzyskanie odpowiedniej wartości siły jazdy; – konstrukcje agregatów, także niekonwencjonalne, których ruch jest realizowany bez kontaktu koła z glebą ( szerokie ramy-suwnice), stosowanie agrolotnictwa, szczególnie do oprysków. Wymienione powyżej zalecenia nie czynią zadość stawianym wymaganiom, co więcej ich stosowalność jest niejednokrotnie ograniczona. Skłania to do stwierdzenia, iż badania o charakterze podstawowym są w tej dziedzinie wielce uzasadnione, tym bardziej, że nie istnieje do dziś spójna teoria opisująca mechanikę procesu obciążania i odkształcania ośrodka glebowego. Analiza prac badawczych prowadzonych od lat wykazuje duże trudności metodyczne przeprowadzania jednoczesnych pomiarów ciśnień i przemieszczeń w glebie pod kołami pojazdu mechanicznego. Budowa systemu pomiarowego do badań tego typu jest zadaniem trudnym, tym bardziej, że w grę wchodzi urządzenie wielokanałowe, o dużej częstości i dokładności pomiaru, a zarazem odporne na występujące w środowisku glebowym czynniki zewnętrzne (wilgotność, pył, możliwe udary mechaniczne). Zasadniczą trudność sprawia sam proces przeprowadzenia pomiaru, ściślej, wprowadzanie przetworników do badanego ośrodka. Winno się to odbywać przy minimalnym zakłóceniu i uszkodzeniu struktury gleby. W pracy dokonano wyboru metody badawczej do wyznaczania stanu naprężeń i przemieszczeń w glebie pod obciążeniem oraz zrealizowano urządzenia badawczo-pomiarowe z zastosowaniem licznych rozwiązań autorskich, między innymi unikalna konstrukcją przetworników ciśnienia w glebie. Przeprowadzono badania stanu naprężeń i odkształceń w glebie pod obciążeniem z różnym sposobem oddziaływania: ustalona siła nacisku oraz prędkość narastania. Wyniki tych badań potwierdziły zależność stanu naprężeń i odkształceń od czasu oraz parametrów procesu obciążania. Doświadczenia wykazały, że zbudowana aparatura spełnia postawione wymagania dotyczące dokładności pomiaru, obsługi i eksploatacji oraz odporności na warunki zewnętrzne. Praktyczne zastosowanie otrzymanych wyników nie ogranicza się tylko do rozwiązania problemu optymalnego doboru warunków prac polowych. Stanowi bowiem doświadczalną weryfikację przyjętej metody badawczej jak również test zastosowanych rozwiązań technicznych. Skonstruowane przetworniki posiadają zdecydowane zalety w porównaniu do innych konstrukcji: prostota toru pomiarowego, poręczność użycia, szczególnie w warunkach polowych, odporność na udary mechaniczne, wilgoć, pył. Istnieją również możliwości zastosowania wyników przeprowadzonych badań do wyznaczania trakcyjnych własności gleby a także do opracowania wytycznych konstrukcyjnych przy projektowaniu pojazdów terenowych: optymalizacja konstrukcji ich układów jezdnych oraz osiągów trakcyjnych. W pracy autorzy po dokonaniu w Rozdziale l przeglądu dotychczasowych metod wyznaczania stanu naprężeń i przemieszczeń pod obciążeniem, przedstawiają wyniki własnych prac konstrukcyjnych i badawczych. Metodyka badawcza wyznaczania stanu naprężeń i przemieszczeń w glebie pod obciążeniem prezentowana jest w Rozdziale 2 Opisano rozwiązania aparatury badawczej a także przedstawiono i omówiono wyniki przeprowadzonych eksperymentów. W Rozdziale 3 zaprezentowano system pomiarowy do wyznaczania naprężeń i przemieszczeń w układzie przestrzennym oraz metodykę badawczą z uwzględnieniem licznych rozwiązań autorskich, rozszerzających możliwości aparatury pomiarowej o funkcję jednoczesnego pomiaru przemieszczeń. W Rozdziale 4 prezentowana jest polowa wersja stanowiska z głowicą trójosiową i optycznym układem rejestracji przemieszczeń i odkształceń. W pracy zamieszczono również najnowsze stanowisko do badań naprężeń i przemieszczeń w glebie uwzględniające opracowania autorskie Instytutu Agrofizyki PAN. Rozdział ostatni zawiera opisy wdrażanych metod pomiarowych, będących w fazie prób lub w trakcie projektowania. Przedstawione są również założenia dalszych prac badawczych.