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Considerações gerais a respeito de
ferramentas de preparo de solos
Efeitos dinâmicos
Dois tipos de mecanismos afetam as forças
requeridas para mover o solo, chamados de
necessidade de acelerar continuamente
novas massas de solo durante o preparo do
solo e a alteração ds tensões para grandes
taxas de corte, as quais tem importância
para as forças inerciais em altas
velocidades.
Forças inerciais
q
a
v
ca
x'
z
x
v'
P
d
Fa
W
ø
m
c
R
x = x' + a = x'.[1+tan().cot()]
v' = x’/(t.cos() =
= x/(t.cos().[1+tan().cot()] =
= v/{cos().[1+tan().cot()]}
Para cada intervalo de tempo t, uma massa
M é adicionada ao solo sendo elevado pelo
corte da ferramenta.
A força Fa requerida para atingir a
aceleração desta massa com a velocidade v'
da cunha do solo é calculada pela variação
da Lei de Newton, relacionando a força
resultante com a taxa de mudança do
momento.
Fa = v'.M/t = v'..x.d.w/t = v’.v.d.w =
v2.d.w/{cos().[1+tan().cot()]}
Esta força de aceleração pode ser adicionada
no balanço de forças, atuando na cunha de solo,
fornecendo a seguinte expressão
P = (g.d2.N+ c.d.Nc + ca.d.Nca + q.d.Nq +
+ .v2.d.Na).w
Na = {tan()+cot()}/{[cos() +
sin().cot()].[1+tan( ).cot()]}
A validade desta análise pode ser verificada
por meio dos resultados práticos obtidos por
Wismer e Luth (1971) para lâminas planas
(caso bidimensional) em areia. A velocidade
horizontal da ferramenta foi variada de 0.25
a 2.5 m/s.
Determinação dos esforços em uma ferramenta larga
em solo arenoso com diferentes velocidades
Alterações nas tensões do solo
Espera-se que a tensão em um solo argiloso
exiba consideráveis mudanças com a
velocidade de deslocamento da ferramenta.
Wismer e Luth (1972) demonstraram este
efeito com a aplicação de uma lâmina plana
em um solo argiloso, operando com
velocidades na faixa de 0,05 a 3 m/s.
Forças de tração em um solo argiloso em
função da velocidade para
índice de cone diferentes
Ferramentas com formas complexas
Quando as ferramentas de preparo do solo
não possuem uma forma simples, deve-se
fazer aproximações utilizando os modelos
mecânicos já mencionados, como guia,
mesmo porque, tratamentos analíticos
exatos não são disponíveis em geral.
Um modelo principal será frequentemente
utilizado em adaptações.
Será considerado somente o ângulo da parte
inferior da ferramenta para sua
representação, porque este ângulo é quem
governa a forma de ruptura do solo.
Evidências desta hipótese são encontradas
em experiências de campo e laboratório.
Exemplo
Negi et al. (1976), McKyes e Ali
\cite{McKAli} (1977), mostraram que a
força de uma ferramenta comprimindo o
solo na extremidade de uma haste longa
permanece essencialmente constante para
diferentes ângulos da haste, pernanecendo
também sem alterações o ângulo da ponteira
da haste.
Aproximação do ângulo de
ataque para ferramentas curvas
Ferramentas aladas
Ferramentas aladas e de utilização em
grandes profundidades como subsoladores,
apresentam quase todo o trabalho de corte
devido a ponteira, sendo o solo mobilizado
em toda a largura de corte da ponteira e
também em toda a profundidade de trabalho
como se fosse uma ferramenta com a
largura igual a da ponteira em toda sua
extensão.
Ferramenta alada com ângulo de ataque
diferente para a ponteira e para a haste
Angulo
da haste
z
w
x
Ponteira
h
Angulo
de abertura
Espaçamento das hastes em
ferramentas estreitas
A partir da superfície do solo, os sulcos
deixados por uma haste individual podem
ser observados mas, a quantidade de solo
mobilizado abaixo da superfície é
desconhecido.
Solo mobilizado por uma ferramenta
estreita
Altas velocidades da ferramenta podem
resultar em sulcos profundos mencionado,
sem no entanto, apresentar considerável
alteração na área de solo mobilizado.
Esta área mobilizada pode ser determinada
teoricamente pelo uso de um modelo
matemático que leva em consideração o
modelo aproximado de ruptura do solo
através de linhas retas formando uma cunha
de solo.
Vista lateral do corte de solo
e
Ad
d
Ad
A0
A1
w
s
Ad = d.Sp-A1 = d.Sp - 1/4.(Sp-w)2.tan()
tan() = d.s
A fração de volume de solo entre duas
hastes que não é mobilizada pode ser
avaliada da seguinte forma:
A1/d.Sp = 1/4(Sp -w)2.tan()/d.Sp =
= 1/4.(Sp-w)/Sp.s
O conhecimento destes valores é de grande
interesse para o projeto de equipamentos de
hastes. Com a perfeita disposição das hastes
sobre a estrutura da máquina será obtido o
mínimo esforço de tração com o máximo
trabalho de mobilização do solo.
Avaliação do desempenho de
máquinas de preparo do solo
Introdução
A mobilização do solo provocada por diferentes
tipos de ferramentas proporciona alterações
significativamente diferenciadas no perfil do solo,
sua estrutura e propriedades mecânicas.
O desempenho destas ferramentas está diretamente
relacionado com a finalidade que se destina o solo
após o preparo.
Ação das ferramentas
Relação Ferramenta - Solo
Condição
Final do
solo
Condição
Inicial
Manejo do solo
Ferramenta
Forças
Formato
Movimento
F = f (Ff, Mf, Si)
Sf = g (Ff, Mf, Si)
Ff = formato da ferramenta
Mf = movimento da ferramenta
Si = condição inicial do solo
f
f
f
dF
dF f
dM f
dSi
F f
M f
Si
g
g
g
dS f
dF f
dM f
dSi
F f
M f
Si
Se mantivermos as condições de solo
constante
E não alteráramos o movimento da ferramenta
Estudando vários formatos para esta
ferramenta de preparo de solo, verificamos
que a condição final do solo e a força
necessária para isto são funções desta
alteração de formato.
f
dF
F
f
g
dS f
F
f
dF f
M f , Si
dF f
M f , Si
neste caso somente o formato da ferramenta
deve ser descrito quantitativamente, os
demais parâmetros não.
Se parâmetros de projeto forem medidos
numericamente então teremos uma relação
única entre F e Ff e entre Sf e Ff
A diferença entre a condição inicial do solo
e a sua condição final é a medida da
manipulação do solo.
Avaliação do desempenho da
ferramenta
Determinar as condições iniciais e finais do
solo
determinar as forças envolvidas no processo
de alteração destas condições
Descrição das condições do solo
De
forma quantitativa
– geométrica
– matemática
Parâmetros a serem avaliados
Densidade do solo
Porosidade do solo
Macro e micro porosidade
Resistência a penetração
Infiltração de água no perfil do solo
Permeabilidade do solo
Coesão e atrito interno do solo
cont.
Agregados
Índice de rugosidade
Grau de empolamento
Perfil do solo
– superficial
– sub-superficial
Determinação das forças
Dinamômetros de engate de três pontos
Dinamômetro de tração
Dinamômetro para determinar o esforço
específico em cada ferramenta
Instrumentação direta da ferramenta
Agregados
Via seca
– porcentagem de agregados
Wi %
Wi.100
n
Wi
i 1
– módulo de finura
% acumulada
MF
100
– diâmetro médio geométrico
n
ant log Wi * log d i
i 1
DMG
n
Wi
i 1
Onde
Wi = peso retido em cada classe de tamanho
di = tamanho médio de cada classe
peneiras utilizada
– 101,60 72,20 50,80 25,4 19,05 12,07
– 6,35 3,36 1,68
Empolamento
i f
Vf
Emp 1 *100
V
f
i
*100
O tamanho dos agregados também é função da
largura da ferramenta conforme demostrado
por Gill e McCreery (1960). No estudo
realizado com arados de aiveca de diferentes
larguras a uma profundidade fixa. O resultado
apresentado na figura deixa claro que
ferramentas estreitas produzem agregados de
menor diâmetro.
DMG