Аналитические исследования процесса разрушения почвенного пласта выкопочной машиной с активными рабочими органами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Технологии. Машины и оборудование

Information about authors

Zhdanov Yury Mikhailovich - Chief Researcher at the Department of protection of soil from erosion and diflyatsii mechanization agroforestry work on GNU-Russian Science and Research Institute of agroforestry RAAS, DSc in Agricultural, Volgograd, Russian Federation; e-mail: [email protected]

Yudin Roman Viktorovich - Associate Professor of Forestry Mechanization and Machine Design department, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», PhD in Engineering, Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].

Popikov Viktor Petrovich - Associate Professor of Landscape Architecture and Soil Science department, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», PhD in Engineering, Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].

Kanishchev Denis Aleksandrovich - post-graduate student of Forestry Mechanization and Machine Design department, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].

DOI: 10.12737/14170 УДК630*232

АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ПОЧВЕННОГО

ПЛАСТА ВЫКОПОЧНОЙ МАШИНОЙ С АКТИВНЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ

доктор сельскохозяйственных наук В. И. Казаков1 кандидат технических наук И. В. Казаков2

1 - ФБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства», г. Пушкино, Российская Федерация 2 - ФБУ «Авиалесоохрана» г. Пушкино, Российская Федерация

Одной из наиболее важных технологических операций при выращивании посадочного материала для лесовосстановления является его выкопка. Для этой цели используются различные механизмы, основным недостатком большинства которых является низкое качество отряхивания почвы от корневых систем растений и обрыв тонких корней. В наибольшей мере требованием выкопки растений отвечают машины с активными рабочими органами, которые имеют привод от вала отбора мощности трактора. Особенностью конструкции таких машин являются рабочие органы, выполненные в виде подрезающего ножа, бил и отряхивателей и обеспечивающие разрушение почвенного пласта и отделения почвы от корневой системы растений. В статье приведены результаты аналитических исследований процесса разрушения почвенного пласта при выкопке посадочного материала машиной с активными рабочими органами в виде бил и отряхивателей. Предложены аналитические зависимости для определения наибольшего изгибающего момента, возникающего при разрушении почвенного пласта. Обосновано условие, позволяющее гарантировать разрушение пласта почвы и

220

Лесотехнический журнал 3/2015

Технологии. Машины и оборудование

отделение ее от корневой системы растений с учетом геометрических и кинаматических параметров рабочих органов. В результате проведенного анализа процесса разрушения почвенного пласта при выкопке посадочного материала выкопочной машиной с активными рабочими органами установлено, что эффективность процесса разрушения пласта почвы растет с увеличением коэффициента кинематического режима бил kE . Расстояние между центрами вращения звеньев механизма LE должно целесообразно принимать экспериментальным путем с учетом особенностей выращивания посадочного материала. Отмечено, что существенное влияние на процесс разрушения пласта оказывают физические свойства почвы.

Ключевые слова: Посадочный материал, выкопочная машина, рабочий орган, бил, от-ряхиватель, пласт почвы, изгибающий момент, напряжение изгиба.

ANALYTICAL STUDY OF THE PROCESS OF DESTRUCTION OF SOIL LAYER MACHINES FOR DIGGING WITH ACTIVE WORKING BODIES

DSc in Agriculture V. I. Kazakov1 PhD in Engineering I. V. Kazakov2

1 - FBI «All-Russian Research Institute for Silviculture and Mechanization of Forestry»,

Pushkino, Russian Federation 2 - FBI «Avialesookhrana», Pushkino, Russian Federation

Abstract

In the process of digging planting material of the working body of the machine interacts with the soil and plant roots. To preserve the root systems of plants is necessary to loosen the soil and to separate it from the roots. To the greatest extent meet these requirements plant lifter with active working bodies, which provide intensive loosening of saturated roots soil and remain thin, the most valuable plant roots. The article presents the results of analytical studies of the process of destruction of soil layer wicomoco dishwasher with active working bodies in the form of beat and otmahivala for digging planting material in forest nurseries. The proposed formula for determining the maximum bending moment arising from the destruction of soil formation. Considered a condition that guaranteed the destruction of the formation of soil, and given a formula to determine the maximum bending stresses, taking into account geometric and kinematische parameters of working bodies. The analysis found that the greatest influence on the destruction of soil layer has a coefficient of kinematic mode beat . The geometrical parameters of the working bodies it is advisable to take based eksperimentalnyh research with consideration of the peculiarities of cultivation of planting material and soil physical properties.

Keywords: Planting material, wikopedia machine, the working body, beat, traivel, formation of soil, bending moment, bending stress.

Выкопка посадочного материала в лес- операций, так как от ее выполнения в наи-

ных питомниках является одной из наиболее большей степени зависит его качество.

важных и ответственных технологических В наибольшей мере требованием вы-

Лесотехнический журнал 3/2015

221

Технологии. Машины и оборудование

копки сеянцев и саженцев отвечают активные рабочие органы, которые имеют привод от вала отбора мощности трактора. Особенностью конструкции такой машины является рабочий орган, выполненный в виде подрезающего ножа, бил и отряхивателей для разрушения почвенного пласта и отделения почвы от корневой системы растений. Это позволяет сохранить корневую систему растений и улучшить их приживаемость при посадке на лесокультурную площадь. Однако, исследований этого процесса недостаточно, что сдерживает проектирование и разработку выкопочных машин с активными рабочими органами и их применение в лесных питомниках. С целью восполнения этого пробела проведены теоретические исследования процесса разрушения пласта выкопочной машиной с активными рабочими органами при вы-копке посадочного материала в лесных питомниках [2, 4, 5, 8, 9, 10].

Схема расположения почвенного пласта на рабочих органах машины представлена на рис. 1, где:

Le - шаг размещения бил на раме;

1РАБ - “рабочая” длина рыхлителя; l - расстояние между осями колебания бил и рыхлителей Очевидно:

1РАБ = 1 РЫХЛ ~ 1 ; 0)

где 1РЬХЛ - длина рыхлителя, конструк-

тивн°: 1рыхл ^ 1Б ;

hПЛ - глубина подрезания - толщина пласта почвы.

Для анализа рассмотрим участок, равный LБ, на котором размещается два била и один рыхлитель, работающих в противофазе.

“Активной” частью, на которой происходит непосредственное разрушение (крошение) пласта почвы, будем считать участок длиной 1РАБ , где на пласт почвы воздействуют одновременно два била и один рыхлитель.

Объем пласта почвы на этом участке составит:

^Л = hПЛLБ (1РЫХЛ ~ 1) , (2)

Если рассматривать почву как достаточно связанную среду с массой, равномерно распределенной по объему, то ее массу можно выразить так:

тт

Vnn Рп , [ кг ],

(3)

где рП - средняя плотность почвы.

Вначале рассмотрим квазистатическое положение пласта почвы в рабочей зоне (при at = 0 и у = у P = 0 ^ пласт расположен под углом Д к продольной оси X). Поскольку угол Д невелик, то

можно предположить, что cos Д « 1.

В первом приближении рассмотрим пласт почвы как связное тело, опирающееся на опоры (рис. 2). Разрушение при этом происходит под действием изгибающего момента, наибольшее значение которого в данной схеме определяется известным соотношением [1, 3, 6, 7]:

1

1 (L

Mmax = 8 ql = 8 q

JE

2

(4)

где q грузки,

интенсивность распределенной на-

Далее:

тПЛ le = тПЛ

~ 2 5 2 Le

M max 1 L2 Б 1

q—

8 1 4 32

(5)

2

2

Б

222

Лесотехнический журнал 3/2015

Технологии. Машины и оборудование

Рис. 1. Схема расположения почвенного пласта на рабочих органах машины

Значение q с учетом выражения (2) и (3) составит:

^ПЛ^БРп (1РЫХЛ —1) 7 „ (1 i\

q = L ~ h ПЛ РП (1РЫХЛ 1) .

ТБ

Далее:

M J„„ = hn3Pn (1РЫХЛ - IТ Б , [ ~ ]. (6)

32 м

После преобразований получим выражение для наибольшего “статического” изгибающего момента:

M max = Р„Ь1Б (1рыхл - I). (7)

Наибольшие напряжения изгиба, возникающие в сечении пласта, проходящем через центр тяжести:

а

М„

W.

где Wu - момент сопротивления сечения изгибу:

h

ПЛ

W =

С т \

^Б

К 2 у

6

h Т 2

,1ПЛ^Б

24

Напряжение изгиба:

а.

gh ПЛ рп (1РЫХЛ 1)

"ПЛПП

32 ^ПЛТБ

После сокращений получим:

аи тЖ = 0,75 gPn (1РЫХЛ - 1) . (8)

Наибольшие напряжения изгиба, возникающие в сечении пласта, проходящем через центр тяжести:

М„

а

W

2

Лесотехнический журнал 3/2015

223

Технологии. Машины и оборудование

Рис. 2. Схема для анализа процесса разрушения почвенного пласта

где Wu - момент сопротивления сечения изгибу:

h

ПЛ

W.. =

(L ^2 V 2 у

6

h Т 2

,1ПЛ^Б

24

Напряжение изгиба:

о

gh ПЛ Рп (lРЫХЛ 1)

32 ^ПЛТБ

После сокращений получим:

Отах = 0,75gPn (рыхл -1). (8)

Условия разрушения (крошения) пласта:

О“ z[°u], (9)

где [ou ] - предельное напряжение изгиба (определяется типом и состоянием почвы).

Рассмотрим процесс в динамике. При “прямом” ходе бил они опускаются вниз, а рыхлители поднимаются вверх и пласт почвы занимает положение, показанное на рис. 2.

Введем понятие коэффициента кинематического режима рабочих органов машины, представляющего собой отношение

224

Лесотехнический журнал 3/2015

Технологии. Машины и оборудование

вертикальной проекции полного ускорения к ускорению свободного падения - g : к'Б - для била; к'р - для рыхлителя.

Величины к переменны по длине:

• P Г,

r, _ Jy _ Я- Jy

“P _

g g g

и изменяются от 0 в шарнирах до предельных значений в точках N и P по линейному закону:

к' _ • к' _

ЯБ ~ ’ Л-р —

ЛкБ,

Jrt _ Jr max *ТЕК КБ ~ КБ i

I с

кf _ к max ТЕК _ 2к'

ZVp — ZVp — /Ш б

К

(10)

наибольшее значение коэффициента кинематического режима выразится так:

к„

Jy

(l \

1Г>

g

g

r

V гкр J

- sup(yj(И'г_)2 + И424 )

Поскольку величина:

к _ ®КР ГКР

_ const

g

есть коэффициент кинематического режима приводного кривошипа, то можно записать:

кБтХ _ кк. supf^42 )2 + И424 1, (11)

Г VD ^ '

' КР

и аналогично:

1 max л -I max

к р ^ ^^к б

(12)

Для оценки эффективности рыхления почвы на всей активной поверхности рабочих органов введем следующие усредненные величины:

кБСР _ кБ

1 CP J

и kp _ kp,

кБ _ а КРГКР f1 sup(V^42 )2 + И424 J)

к p — Як б

. (13)

™ КР’КР

Следует отметить, что в наших конструктивных соотношениях Я«1 и кБ _ kP _ к машины:

Если кБ > 1 - при опускании бил пласт “отстает” от них, а затем догоняет и ударяется, что значительно интенсифицирует процесс крошения почвы. При kP > 1 и подъеме рыхлителей вверх пласт теоретически может подниматься вместе с ними, при этом на его центр тяжести действует дополнительная динамическая сила:

Gg _ 2 тпл (g + JY)

С учетом этого выражения можем записать:

GdUH _ Gkp _ ЯвкБ (14)

При перемещении рабочих органов (в динамике) возникают изгибающие моменты: в верхнем положении: в нижнем положении:

М max _ М — Я cos(p +Wp )

МН

max

g

Mmax — Яс^(У - P)

. (15)

g

Средний динамический изгибающий момент, условно действующий на пласт почвы, определяется выражением:

M дин _ 1 \мв + MН 1

IV! ср — 2 ^^ max i IvJ- max J,

или в развернутом виде:

Мсрдин _ Mr j • (16)

•[cos (yP + P) + cos (y - P)].

После подстановки значения статического момента получим:

МсГ _ ^6^ Я j y (1рЬХЛ - l) Le 2 X . (17)

x[cos(yP + P) + cos(y - P)]

Лесотехнический журнал 3/2015

225

Технологии. Машины и оборудование

Таким образом, проведенный анализ процесса разрушения почвенного пласта при выкопке посадочного материала выко-почной машиной с активными рабочими органами дает основание для следующих выводов:

1. Эффективность процесса разрушения пласта почвы растет с увеличением коэффициента кинематического режима бил кБ .

2. Расстояние между центрами вращения звеньев механизма LБ должно приниматься экспериментальным путем в зависимости от особенностей выращивания посадочного материала и требуемой степени крошения почвы.

3. Значительное влияние на процесс разрушения пласта оказывают физические свойства почвы.

Библиографический список

1. Артоболевский, И.И. Теория машин и механизмов [Текст] / И.И. Артоболевский. -М.: Наука, 1975. - 640 с.

2. Бартенев, И.М. Совершенствование технологий и средств механизации лесовосстановления [Текст] / И.М. Бартенев, М.В. Драпалюк, В.И. Казаков. - М.: ФЛИНТА: Наука, 2013. - 208 с.

3. Быков, В.С. Теория процесса сепарирования сыпучих смесей на плоских качающихся решетах [Текст] / В.С. Быков. - Воронеж, 1996. - 244 с. Деп. в ВИНИТИ 18.07.96, № 2450 - В 96.

4. Казаков, В.И. Техника для лесных питомников [Текст] / В. И. Казаков, Г. Б. Климов // Лесн. хоз-во. - 1989. - № 8. - С.36-38.

5. Казаков, В.И. Технологии и механизация выращивания посадочного материала в питомниках лесной зоны [Текст] / / В.И. Казаков. - М.: ВНИИЛМ, 2001. - 186 с.

6. Казаков, В.И. Исследование процесса резания корней сеянцев при подрезке и выкопке [Текст] / В.И. Казаков, И.В. Казаков // Лесотехнический журнал. - 2014. - № 2 (14). - С. 216-219.

7. Кленин, Н.И. Сельскохозяйственные машины [Текст] / Н.И. Кленин, И.Ф. Попов, В.А. Сакун.- М.: Колос, 1970. - 456 с.

8. Смирнов, Н.А. Интенсивные технологии выращивания посадочного материала в лесных питомниках. [Текст] / Н.А. Смирнов, В.И. Казаков // Сб. : Науч.-техн. прогресс в лесной отрасли ЦЧР. - Воронеж: ВГЛТА, 1990. - С. 99-101.

9. Hallman, R.G. Nursery equipment survey report [Text] / R.G. Hallman, J. Lott // Proceedings

Далее:

дин

Mr

24Mr

W.

h T z

пПЛ^Б

(18)

Окончательно получим:

оидт = 0,375pnXjY(1рЬ1Хл -1)х.

x[cos(yP + Р) + cos (у - Р)]. Зависимость (18) дает значение напряжения изгиба ои в каждый момент времени. Перейдя к пределу, запишем условия гарантированного разрушения пласта почвы в следующем виде:

О max = 0,375 g рпХкБ (1рьхл - l )х' x[cos (УрmSX + 0)+ cos (уmax - Р)] ' , (19)

О max ]

В формуле (19) значение ymax определяется из выражения:

Урmax . (20)

дин

дин

226

Лесотехнический журнал 3/2015

Технологии. Машины и оборудование

of Western Forest Nursery Council Meeting: August 5-7 - Portland, Oregon, 1974. - pp. 125-134.

10. Kormanik, P.P. Lateral root development may define nursery seedling quality [Text] / P.P. Kormanik, J.L. Ruehle // Proc. Fourth Biennial Southern Silvicultural Research Conference: Atlanta, Ga. 4-6 November 1986 USDA For. Serv. Gen. Tech. Rep. SE-42. - 1987. - pp.225-229.

References

1. Artobolevsky I.I. Teorija mashin i mehanizmov [Theory of mechanisms and machines]. -Moscow, 1975. - 640 p. (In Russian).

2. Bartenev I.M., Drapaljuk M.V., Kazakov V.I. Sovershenstvovanie tehnologij i sredstv me-hanizacii lesovosstanovlenija [Improvement of technologies and means of mechanization of forest regeneration]. Moscow, 2013, 208 р. (In Russian).

3. Bykov V.S. Teorija processa separirovanija sypuchih smesej na ploskih kachajushhihsja reshetah [Theory of the process of separation of granular mixtures in a flat oscillating sieves]. Voronezh, 1996, 244 p. DEP. in VINITI 18.07.96, No. 2450 - 96 p. (In Russian).

4. Kazakov V.I., Klimov G.B. Tehnika dlja lesnyh pitomnikov [Equipment for forest nurseries]. Lesnoe hozjajstvo [Forestry management]. 1989, no. 8, pp. 36-38. (In Russian).

5. Kazakov V.I. Tehnologii i mehanizacija vyrashhivanija posadochnogo materiala v pitom-nikah lesnoj zony [Technology and mechanization of cultivation of planting material in nurseries of the forest area]. Moscow, 2001, 186 p. (In Russian).

6. Kazakov V.I., Kazakov, I.V. Issledovanie processa rezanija kornej sejancevpri podrezke i vykopke [Investigation of the process of cutting the roots of seedlings for pruning and digging]. Le-sotekhnicheskii zhurnal, 2014, no. 2 (14), pp. 216-219. (In Russian).

7. Klenin N.I., Popov I.F., Sakun V.A. Sel'skohozjajstvennye mashiny [Agricultural machinery]. Moscow: Spike, 1970, 456 p. (In Russian).

8. Smirnov N.A. Kazakov V.I. Intensivnye tehnologii vyrashhivanijaposadochnogo materiala v lesnyh pitomnikah [Intensive technology of growing seedlings in forest nurseries]. Sb. : Nauch.-tehn. progress v lesnoj otrasli CChR [In Proc. : Nauch.-tech. progress in the forestry sector of Central Chernozem region]. Voronezh, 1990, pp. 99-101. (In Russian).

9. Hallman R.G., Lott J. Nursery equipment survey report. Proceedings of Western Forest Nursery Council Meeting: August 5-7. Portland, Oregon, 1974, pp. 125-134.

10. Kormanik P.P., Ruehle J.L. Lateral root development may define nursery seedling quality. Proc. Fourth Biennial Southern Silvicultural Research Conference: Atlanta, Ga. 4-6 November 1986 USDA For. Serv. Gen. Tech. Rep. SE-42, 1987, pp.225-229.

Сведения об авторах

Казаков Владимир Иванович - главный научный сотрудник отдела лесовосстановления и семеноводства, ФБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства», доктор сельскохозяйственных наук, г. Пушкино, Российская Федерация; e-mail: [email protected].

Казаков Игорь Владимирович - главный специалист ФБУ «Авиалесоохрана», кандидат технических наук, г. Пушкино, Российская Федерация; e-mail: [email protected].

Лесотехнический журнал 3/2015

227

Технологии. Машины и оборудование

Information about authors

Kazakov Vladimir Ivanovich - Chief Researcher at the Department of reforestation and seed production of FBI «All-Russian Research Institute for Silviculture and Mechanization of Forestry», DSc in Agriculture, Pushkino, Russian Federation; e-mail: [email protected].

Kazakov Igor Vladimirovich - Chief specialist of FBI «Avialesookhrana», PhD in Engineering, Pushkino, Russian Federation; e-mail: [email protected].

DOI: 10.12737/14651 УДК 625.144.6

КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ МАНИПУЛЯТОРОВ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ НЕЖЕЛАТЕЛЬНОЙ ДРЕВЕСНО-КУСТАРНИКОВОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ В ПЛАНЕ ПОЛОСЫ ОТВОДА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

кандидат технических наук М. А. Платонова1 доктор технических наук, профессор М. В. Драпалюк2 кандидат технических наук, доцент А. А. Платонов1 1 - ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»,

г. Москва, Российская Федерация

2 - ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного

проекта № 15-38-50524 мол_нр.

В настоящее время ОАО «Российские железные дороги» формирует согласованную политику в области обеспечения безопасности и надёжности перевозочного процесса, при этом одной из актуальных является проблема удаления нежелательной древесно-кустарниковой растительности в полосе отвода железных дорог. Среди существующих методов управления ростом нежелательной растительности старейшим является механический метод, при этом основным направлением является раздельное удаление надземной и корневой частей растений. Для повышения производительности труда и качества очистки полосы отвода применяются кусторезы и мульчеры, которые агрегатируются с самыми различными транспортными средствами, снабжёнными манипуляторными установками. В статье рассматриваются вопросы компоновки манипуляторов, предназначенных для перемещения рабочего органа согласно заданному технологическому процессу, с учётом целесообразности их использования, которая обуславливается типом базового транспортного средства, видом нежелательной растительности и особенностью её произрастания, рельефом местности в плане и профиле полосы отвода железных дорог. Указываются достоинства и недостатки манипуляторов, которые могут быть размещены вместе с кабиной управления транспортным средством и органами управления манипулятором на поворотной платформе; вместе с кабиной управления манипулятором на поворотной платформе при от-

228

Лесотехнический журнал 3/2015