Влияние электрических и магнитных полей на микроструктурные изменения почвенной массы с целью снижения её сопротивляемости

Введение. При подготовке почвы к посеву осуществляются следующие основные операции: вспашка, боронование, культивация и т.д. Согласно литературным данным от всего тягового усилия на крюке трактора 35–40% энергии затрачивается на преодоление сил трения почвы о металл и около 55–60% – на деформацию пласта. Обработка почвы должна вестись при условии соблюдения размеров агрономически ценных посевных агрегатов, что обеспечивает наилучшее качество обработки и сопровождается снижением сопротивления почвы о металл.

Тяговое усилие трактора, затрачиваемое на обработку почвы, рассчитывается по формуле академика В.П. Горячкина:

Р = f ⋅ G + k ⋅ a ⋅ b + ε ⋅ a ⋅ b ⋅ υ ² ,      (1)

где Р - тяговое усилие трактора;

f ⋅ G - усилия, затрачиваемые на преодоление трения скольжения почвы о лемех плуга;

k ⋅ a ⋅ b - усилия, затрачиваемые на деформацию пласта определённого сечения;

ε⋅a⋅b⋅υ2 - усилия, затрачиваемые на отбрасывание пласта почвы сечением a⋅b″ в сторону со скоростью υ″.

Наряду с этим трение скольжения оказывает влияние не только на тяговое усилие, но и на износ рабочих органов плуга. Таким образом, снижение сопротивления почвы позволяет снизить тяговое усилие трактора (расход горючего) и повысить износостойкость рабочих органов плугов.

В настоящее время практически все научные исследования направлены на повышение износостойкости рабочих органов плугов путём нанесения металлокерамических и других покрытий, не касаясь изменения структуры почвы [1–9]. Что же представляет из себя почва? Все почвы являются открытыми динамическими системами, находящимися в общем квазиста-ционарном состоянии с другими элементами ландшафтов. Это сложные гетерогенные системы с резко отличными физико-химическими и электрическими свойствами фаз [10]. Все компоненты, определяющие плодородие почв, являются электрически заряженными частицами, способствующими созданию внутреннего электрического поля почвы. Это поле обуславливает структурную организацию твёрдой фазы почвы.

Кроме этого, все почвы обладают в большей или меньшей степени магнитными свойствами, обусловленными парамагнитными особенностями основных элементов минерального состава почв, а также наличием в них соединений железа, обладающих ферромагнитными свойствами.

Минеральный состав почв включает в определённых количествах магнитный железняк, магнитный колчедан, бурый железняк, окись железа и др. Наблюдается тесная связь магнитных характеристик почв с процессами почвообразования, т.е. есть возможность целенаправленного внешнего воздействия на микро- структуру почв с помощью электрического и магнитного полей.

Так, в работе [11] были проведены исследования по влиянию электроосмоса ( j =2,0 мА/см², U =25 В) на коэффициент трения для распылённого западнопредкавказского тяжелосуглинистого чернозёма о металл (ст. 3, полированная) и для различных размеров почвенных агрегатов при разной влажности почвы.

Использование электроосмоса способствует перемещению почвенной влаги из прилегающего слоя почвы под действием разности электрических потенциалов в электрическом поле и её локализации в виде плёнки на рабочей поверхности плуга. Эта водяная плёнка играет роль смазки и снижает трение и прилипание почвы к рабочей поверхности плуга.

Анализ результатов. По результатам этих экспериментальных исследований нами построены графические зависимости изменения коэффициента трения тяжелосуглинистого чернозёма о металл при электроосмосе для различных состояний почвы и получены аппроксимирующие выражения для этих зависимостей (рисунки 1 и 2).

На рисунке 1 представлены графические зависимости изменения коэффициента трения распылённого тяжелосуглинистого чернозёма о металл для различных значений влажности почвы при электроосмосе. Анализ этих графических зависимостей показывает, что влияние лектроосмоса на коэффициент трения для распылённого тяжелосуглинистого чернозёма с повышением влажности почвы увеличивается. Так, при влажности W=20% коэффициент трения снизился на 4,6% по сравнению с контролем (без электроосмоса), а при W=40% - на 43,9%. Максимальное снижение коэффициента трения наблюдается при влажности почвы W=40%. Это объясняется тем, что при влажности почвы W=20% недостаточно свободной воды, чтобы создать смазывающую плёнку нужной толщины. Для этих графических зависимостей нами определены следующие аппроксимирующие выражения (2–4):

1 – контроль без электроосмоса; 2, 3 – электроосмос

Рисунок 1 – Изменение коэффициента трения распылённого тяжелосуглинистого чернозёма о металл в зависимости от влажности почвы при электроосмосе 1 – control without electroosmosis; 2, 3 – electroosmosis

Figure 1 – Change in the coefficient of friction of pulverized heavy loamy black soil on metal depending on soil moisture during electroosmosis

Коэффициент трения, f Friction coefficient, f

Разме макоаг егатов l ммРазмер макроагрегатов l, мм Size of macroaggregates l, mm

Рисунок 2 – Изменение коэффициента трения распылённого тяжелосуглинистого чернозёма о металл в зависимости от размеров макроагрегатов

1Э, 2K – при влажности почвы W = 20%; 3Э, 4K – при влажности почвы W = 25% Figure 2 – Change in the coefficient of friction of pulverized heavy loamy black soil on metal depending on size of macroaggregates

1Э, 2K – at soil moisture W = 20%; 3Э, 4K – at soil moisture W = 25%

На рисунке 2 представлены графические зависимости изменения коэффициента трения тяжелосуглинистого чернозёма о металл в зависимости от размера макроагрегатов (ст. 3 полированная) для двух значений влажности почвы при электроосмосе.

Анализ этих зависимостей показывает, что с увеличением размеров макроагрегатов коэффициент трения снижается. Так, при влажности W = 20% для макроагрегатов l = 1,5 мм снижение коэффициента трения по сравнению с контролем (без электроосмоса) 67,9%. А для макроагрегатов с l = 6,0 мм снижение коэффи-

1Э - электроосмос W = 20% - f = у = 0,0043 1 ² - 0,0698 1 + 0,52R² = 1;

2K - контроль W = 20% - f = 0,0177 1 ² - 0,2069 1 + 0,8965R2 = 1;

3Э - электроосмос W = 25% - f = -0,0066 1 ² + 0,0192 1 + 0,4631 R2 = 1;

4K - контроль W = 25% - f = -0,0107 1 ² + 0,0481 1 + 0,6969 R2 = 1.

В работах [12–14] были проведены исследования по влиянию магнитного поля на микроструктуру почвенной массы. Так, в работе [12] были проведены исследования по влиянию магнитного поля с индукцией 0,33 Тл на ряд суспензий из пахотного слоя почвы (пос. Пле-шаны, луговая глеевая почва), свыше 90% которой составляют частицы <  0,01 мм. На основе этих исследований можно полагать, что одноразовое прохождение почвенной суспензии через магнитное поле со скоростью 4,0 м/с способно повлиять на ориентацию илистых частиц и уменьшить степень их связи. В работе [13] изучали возможность использования магнитного поля для иэменения микроагрегатного состава с целью улучшения физических свойств почв. Исследования проводились на дерново-глеевой и дерново-лугово-оглеенной почвах Колхиды, а также на чернозёме и лугово-чернозёмном солонце (Тамбовская низменность). Образцы почв намагничивали в полях 1500, 3500, 9000 Э. Микроагрегатный анализ показал, что магнитное воздействие резко изменило содержание микроагрегатов различных размеров. Уменьшилось содержание физической глины (микроагрегаты <  0,01 мм) и увеличилось содержание фракции физического песка (микроагрегаты >  0,01 мм). Для дерново-глеевой почвы при увеличении напряжённости магнитного поля с 1500 до 3500 Э содержание частиц <  0,01 мм, уменьшилось на 10–14%, для дерново-лугово-оглеенной почвы - на 18-25%.

циента трения составило 88,0%. Увеличение снижения коэффициента трения объясняется тем, что большие размеры макроагрегатов меньше соприкасаются с поверхностью металла.

При влажности почвы W = 25% снижение коэффициента трения для макроагрегатов l = 1,5 мм составило 56,1%, а при l = 6,0 мм – 76,7%. Анализ этих сравнительных данных показывает, что прилипание частиц почвы к металлу больше при W = 25%, чем при W = 20%, особенно для частиц с l = 1,5 мм. Для этих графических зависимостей нами определены следующие аппроксимирующие выражения (5–8):

(5) (6) (7) (8)

Для чернозёма и лугово-чернозёмного солонца исследования проводились при напряжённости магнитного поля 1500Э и времени воздействия пять минут. В результате проведённых экспериментов установлено, что при общем уменьшении фракции микроагрегатов, соответствующих размеру физической глины, процесс происходит неодинаково для различных почв. Так, в чернозёме коагуляция отмечена во фракциях мелкой (0,005–0,001 мм), средней (0,01– 0,005 мм) и крупной пыли (0,05–0,01 мм), хотя изменения в содержании этих фракций близки. Что касается солонцов, то здесь наибольшие изменения произошли во фракциях средней и крупной пыли. Так, уменьшение содержания средней пыли в 2,0 раза (с 17,6 до 7,2) приводило к возрастанию количества крупной пыли (с 21 до 38) на 80%.

В работе [14] изучали действие магнитного поля на микроморфологические изменения в чернозёмно-луговой почве и солонце сульфатно-содовом (Тамбовская область). Обе почвы являются представителями тяжёлого гранулометрического состава. Обработку почв проводили в магнитном поле напряжённостью Н =1500 и 9000 Э. В результате этих исследований установлено, что при намагничивании почв в поле Н = 1500 Э существенно уменьшилось количество микроагрегатов размера «физической» глины при одновременном увеличении более крупных частиц.

Поле напряжённостью Н = 9000 Э в большинстве случаев приводит к перестройке всей почвенной массы, способствует даже некоторому перемещению частиц в пространстве. Это перемещение частиц в пространстве приводит к разрыву связей.

Выводы

• 1.    При использовании электроосмоса (( j =2,0 мА/см², U =25 В) происходит снижение коэффициента трения почвы о металл на 5– 44% в зависимости от влажности почвы.

• 2.    Установлено, что с увеличением размеров макроагрегатов с 1,5 мм до 6,0 мм коэффициент трения почвы о металл снижается с 67,9% до 88% при влажности почвы 20% и с 56,1% до 76,7% при влажности почвы 25% за счёт электроосмоса.

• 3.    Установлено, что магнитное поле напряжённостью 1500 Э приводит к существенному уменьшению средней пыли в 2,0 раза (с 17,6 до 7,2) и увеличению крупной пыли на 80%.

• 4.    Получены аппроксимирующие зависимости, позволяющие определять коэффициент трения почвы о металл в зависимости от размеров макроагрегатов (с 1,5 мм до 6,0 мм) при влажности почвы 20% и 25%.

• 5.    Необходимо продолжить научные исследования по разработке технических средств, позволяющих использовать электрические и магнитные поля при обработке почвы с целью снижения коэффициента трения и повышения плодородия почвы.