Рудь Анатолій Володимирович,

завідувач кафедри сільськогосподарських машин і механізованих технологій, професор, заслужений працівник освіти України;

Дуганець Василь Іванович,

доцент кафедри сільськогосподарських машин і механізованих технологій, кандидат технічних наук.

 

 

Рецензенти:

Гарасимчук Ігор Дмитрович,

доцент кафедри енергетики та електротехнічних систем в АПК, ПДАТУ, кандидат технічних наук;

Федорчук Володимир Анатолійович,

професор Кам'янець-Подільського національного університету імені Івана Огієнка, доктор технічних наук;

 

 

Механіко-технологічні властивості сільськогосподарських матеріалів. Методична розробка для студентів інженерно-технічного факультету / Подільський державний аграрно-технічний університет: А.В.Рудь, В.І.Дуганець. – Кам'янець-Подільський. - 2015. - 60 с.

 

 

Методичні вказівки розглянуто на засіданні кафедри сільськогосподарських машин і механізованих технологій та рекомендовано на розгляд комплексній методичній комісії інженерно-технічного факультету ПДАТУ (протокол № 1від 31серпня 2015року).

 

Методичні вказівки розглянуто та рекомендовано до розгляду комплексною методичною комісією інженерно-технічного факультету (протокол №26від2 вересня 2015року).

 

Методичні вказівки рекомендовано до друку (рішення методичної ради Подільського державного аграрно-технічного університету, протокол № 7 від 21 вересня 2015 року).

 

Ó ПДАТУ, 2015

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

«Дослідження твердості грунту»

Мета роботи

Закріпити та поглибити теоретичні знання з механіко-технологічних властивостей ґрунту та навчитись визначати експериментальним шляхом твердість ґрунту, незалежну величину твердості та коефіцієнт об'ємного зминання.

Зміст роботи

1. Експериментальним шляхом записати діаграми твердості ґрунту в трьохкратній повторності, графоаналітичним методом обробити експериментальні дані та визначити твердість ґрунту, незалежну величину, коефіцієнт об'ємного зминання та роботу зминання ґрунту

2. Отримані результати проілюструвати графічним способом та проаналізувати їх.

Обладнання, інструмент, матеріали

Робочий стіл, твердомір з примусовим рухом деформатора, міліметрова лінійка, паперова стрічка.

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Твердість ґрунту, це його здатність створювати опір проникненню в нього деформатора, більш твердого тіла у вигляді конуса, циліндра чи кулі.Для визначення показників опору ґрунту зминанню, використовують прилади різних типів: ударної дії, із статичним навантаженням та з примусовим рухом деформатора. Останні використовуються найбільш широко.

Твердомір, з примусовим рухом деформатора (рис. 1), складається зі штанги 1, пружини 2, ручок 3, плунжера-деформатора 4. При натисканні на ручки 3 приладу тиск через пружину 2, штангу 1 і плунжер 4 передається на грунт. При цьому сила натискання рівна силі опору ґрунту проникненню плунжера і вимірюється по стиску у пружини, а лінійна деформація ґрунту λ - по глибині проникнення плунжера в грунт. Твердомір обладнано пристроєм, який записує діаграму у = f (λ). Знаючи жорсткість пружини k, можна від її деформації y перейти до сили F = k y.

Рис. 1. Схема твердоміра з примусовим рухом деформатора та діаграма твердості

О

F,Н

			А
λ,м

В

Рис. 2. Апроксимування діаграми твердості двома прямолінійними відрізками

Діаграму твердості в межах орного шару ґрунту можна апроксимувати двома прямолінійними відрізками ОА і АВ (рис. 2), які характеризують дві фази деформації ґрунту. На протязі першої фази (ділянка ОА) внаслідок спочатку пружного, а потім пластичного ущільнення ґрунту під плунжером, опір ґрунту деформації F росте пропорційно лінійній деформації λ. На протязі другої фази (ділянка АВ) грунт деформується ущільненим конусоподібним наростом ґрунту, який розклинює його. Під час другої фази зростання деформації λ не викликає збільшення опору F і грунт “тече”, тобто продовжує деформуватися під дією постійного тиску. Таким чином деформація ґрунту стає функцією не стільки навантаження, скільки часу його дії.

Твердість ґрунту визначають за формулою:

p = у k / S, (1)

де p – твердість ґрунту, H/м²; y – середнє значення ординати діаграми твердості, мм; k – калібр твердоміра (жорсткість пружини), H/мм; S – площа поперечного перерізу плунжера, м².

Більш обґрунтованим теоретично, тобто таким, що добре пояснює фізичну суть процесу зминання ґрунту деформатором є другий показник – коефіцієнт об'ємного зминання ґрунту, який визначають за формулою:

q = F / V, (2)

де q – коефіцієнт пропорційності або коефіцієнт об'ємного зминання ґрунту, Н/м³; F – сила опору ґрунту зминанню, Н; V - об'єм зім'ятого (витісненого ґрунту), м³.

Фізичний зміст коефіцієнта об'ємного зминання q – на скільки зростає опір ґрунту при зминанні кожної слідуючої одиниці його об'єму. Коефіцієнт об’ємного зминання q має слідуючі значення: 1...2 Н/см³ – для свіжозораного ґрунту; 5...10 Н/см³ – для стерні, чорних парів та лугів; 50...90 Н/см³ – для грунтової дороги.

Для інженерних розрахунків є межа опору ґрунту зминанню (рис. 2, точка А), яку характеризують граничною напругою зминання:

p_гр = F_гр / S, (3)

Зміна площі плунжера-деформатора веде до зміни межі несучої здатності ґрунту. Таким чином, при використанні твердомірів з плунжерами різного діаметра, отримують результати, які не можна порівнювати. Характеристикою опору ґрунту зминанню, що не залежить від діаметра плунжера, служить деяка величина Н, яку визначають за формулою:

Н = F_і / (d_і λ_і), (4)

де Н – незалежна, від діаметра плунжера, характеристика опору ґрунту зминанню, Н/м²; d_і - діаметр плунжера, м; λ_і - деформація ґрунту, м.

Зминання ґрунту вимагає затрат механічної енергії, що в межах першої та другої фаз визначаються геометрично (рис. 2):

Е₁ = F_гр λ_А / 2 = q S λ_А² / 2, (5)

Е₂ = F_гр (λ_В – λ_А). (6)

Е_Σ = Е₁ + Е₁ = F_гр λ_А / 2 + F_гр (λ_В – λ_А). (7)

З рисунка 2 та виразів (5) і (6) видно, що питомий тиск на грунт не повинен досягати граничних напруг зминання, так як в протилежному випадку буде “текти”, тобто його деформація стане функцією часу, а витрата енергії на одиницю лінійної деформації зросте в два рази.

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Готують твердомір до роботи:

- на лінійці записуючого пристрою твердоміра закріпляють стрічку міліметрового або білого паперу;

- заточують олівець (середньої твердості) і встановлюють його в записуючий пристрій;

- знімають штангу твердоміра із стопора і прописують осі координат діаграми твердості;

- ставлять штангу твердоміра на стопор.

2. Опорною основою ставлять твердомір вертикально на поверхню досліджуваного ґрунту, попередньо знявши його зі стопора і плавним натисканням на рукоятки, заглиблюють деформатор в грунт на глибину його ходу та записують діаграму твердості (до повного виходу штока із рамки твердоміра). Дослід повторяють три рази. Запис трьох діаграм твердості виконують на одній паперовій стрічці. На зворотній стороні стрічки вказують місце та дату проведення досліду, стан грунту, його попередній обробіток, хто проводив досліди, калібр твердоміра, діаметр плунжера.

3. Записані діаграми твердості розділяють на горизонти: 0... 0,1 м; 0,1... 0,2 м; 0,2... 0,3 м, а кожен горизонт, ще на три рівних підгоризонти і нумерують їх (0,1,2,...9).

4. В кожному перерізі діаграми заміряти три значення деформації пружини твердоміра у та записують їх значення в третю графу таблиці 1.

5. Знаючи жорсткість пружини твердоміра визначити зусилля деформації ґрунту (опір ґрунту зминанню):

F = ķ у. (8)

6. Визначити середнє значення зусилля деформації ґрунту в кожному перерізі діаграми:

F_с = ∑F_і / n, (9)

де F_с – середнє значення зусилля деформації ґрунту, Н; F_і – зусилля деформації ґрунту в кожній повторності, Н; n – кількість повторностей.

7. Штангенциркулем заміряють діаметр плунжера твердоміра та визначають площу деформації ґрунту:

S = π d² / 4. (11)

де d – діаметр плунжера, м.

8. Визначають твердість ґрунту в кожному перерізі діаграм твердості:

р = F_с / S. (12)

9. Визначають незалежну величину в кожному перерізі:

Н = F_с / (d λ). (13)

10. Визначають коефіцієнт об'ємного зминання для кожного горизонту:

q = F_с / λ S. (14)

11. Обчислюють затрати механічної енергії на зминання ґрунту в межах першої та другої фаз та сумарні затрати механічної енергії:

Е₁ = F_гр λ_А / 2, (15)

Е₂ =F_гр (λ_В – λ_А), (16)

Е_Σ = F_гр λ_А / 2 + F_гр (λ_В – λ_А). (17)

12. Визначають значення ординати h глибини розміщення плунжера твердоміра для кожного перерізу діаграми твердості

13. Будують графіки залежності твердості грунту р, незалежної величини Н та коефіцієнта об’ємного зминання q від глибини ходу плунжера h (додаток, рис. 3).

14. Виконують аналіз одержаних результатів.

15. Формулюють і записують висновки до виконаної лабораторної роботи.

Таблиця 1 - Результати дослідів з визначення твердості ґрунту, незалежної величини та коефіцієнта об'ємного зминання

Пере- різ діа- грами	Гори- зонт грунт- ту	Вели- чина дефор- мації пру- жини, мм	Зусил- ля дефор- мації ґрунту, Н	Серед- нє зу- силля дефор- мації ґрунту, Н	Площа плун- жера, м^2	Твер- дість ґрунту, Н/м^2	Неза- лежна вели- чина, Н/м^2	Коефі- цієнт об'єм- ного зми- нання, Н/м^3	Гли- бина ходу плун- жера, м
	0 – 0,1
	0 – 0,1
	0 – 0,1
	0,1- 0,2
	0,1- 0,2
	0,1- 0,2
	0,2- 0,3
	0,2- 0,3
	0,2- 0,3

 

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Розказати про будову та принцип дії твердоміра з примусовим рухом деформатора.

2. Розказати методику підготовки твердоміра до роботи.

3. Розказати методику записування діаграми твердості.

4. Пояснити фізичний зміст твердості ґрунту та написати формулу для її визначення. Вказати розмірність твердості грунту.

5. Пояснити фізичний зміст коефіцієнта об'ємного зминання ґрунту та написати формулу для його визначення. Вказати розмірність коефіцієнта об'ємного зминання.

6. Яким чином можна порівняти результати експериментальних даних при роботі з твердомірами, які обладнані плунжерами-деформаторами з різним діаметром?

7. Як визначити затрати механічної енергії на зминання ґрунту в межах першої та другої фаз деформації ґрунту?

 

 

Додаток

Таблиця Д.1

Програма і приклад розрахунку твердості, незалежної величини та коефіцієнта об’ємного зминання ґрунту

	При калібрі твердоміра, Н/мм	27,0		При діаметрі плунжера, м	0,02
Переріз діаграми	Горизонт ґрунту, м	Величина деформації пружини, мм	Зусилля деформації ґрунту, Н	Середнє зусилля деформації ґрунту в перерізі, Н	Площа плунжера, м^-2	Твердість ґрунту, Па	Незалежна величина, Па	Коефіцієнт об`ємного зминання, Н/м^-3	Глибина ходу плунжера, м
	0…0,1				3,14E-04			2,063E+07	0,033
	0…0,1				3,14E-04			2,149E+07	0,067
	0…0,1				3,14E-04			1,977E+07	0,100
	0…0,2				3,14E-04			1,977E+07	0,133
	0…0,2				3,14E-04			1,891E+07	0,167
	0…0,2				3,14E-04			2,063E+07	0,200
	0…0,3				3,14E-04			2,149E+07	0,233
	0…0,3				3,14E-04			3,008E+07	0,267
	0…0,3				3,14E-04			3,352E+07	0,300

 

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2

«Дослідження фрикційних властивостей грунту»

Мета роботи

Закріпити та поглибити теоретичні знання з механіко-технологічних властивостей ґрунту та навчитись визначати експериментальним шляхом коефіцієнти тертя ґрунту по різних матеріалах.

Зміст роботи

1. Експериментальним шляхом визначити статичні кути тертя ґрунту та обчислити статичні коефіцієнти тертя ґрунту по різних матеріалах.

2. Експериментальним шляхом визначити динамічні кути тертя ґрунту та обчислити динамічні коефіцієнти тертя ґрунту по різних матеріалах.

3. Отримані результати проілюструвати графічним способом та проаналізувати їх.