CC BY
46
УДК 631.316:630*231.331
АНАЛИЗ ПРИЧИН ВОЗМУЩАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЛЕСНЫЕ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИЕ АГРЕГАТЫ В УСЛОВИЯХ НЕРАСКОРЧЕВАННЫХ ВЫРУБОК А. И. Третьяков
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Работа лесных почвообрабатывающих агрегатов (ЛПА) в условиях нерас-корчеванных вырубок характеризуется значительной энергоемкостью выполняемых операций, которые имеют повышенный расход топлива и невысокое качество обработки почвы.
Основными источниками потерь энергии ЛПА являются потери в ходовой части, навесном механизме, а также энергозатраты, вызванные низкой маневренностью и проходимостью почвообрабаты-
вающих орудий в условиях многочисленных препятствий.
На характер взаимодействия ЛПА с препятствиями на вырубках существенное влияние имеют их тип, геометрические размеры и физическое состояние (рис. 1). Препятствия, оказывающие воздействие на работу ЛПА, можно условно разделить на три группы: древесные препятствия, каменистые включения, неровности поверхности почвы.
7/У УУУ I У/У УУУ
/ /
V
УУУ У/У "/7/ / V/ /У/ V У
Рис. 1. Типы и основные виды препятствий, оказывающие наибольшее влияние на энергопотери при обработке почвы на лесных объектах: 1 - одиночный пень; 2 - крупные корни; 3 - поверхностные корни; 4 - пониженный пень; 5 - тонкоствольный пенек; 6 - холм; 7 - впадина; 8 - камни; 9 - валун; 10 - выход скальной породы
К древесным препятствиям относятся: одиночные, пониженные (спиленные заподлицо) пни, тонкоствольные пеньки,
крупные корневые системы пней. Одиночные пни (поз. 1 на рис. 1) различаются между собой диаметром D и высотой Н. На
практике фактическая высота пней по разным причинам значительно превышает нормативную. Так, например, при понижении пней (поз. 4 на рис. 1) твердолист-венных пород, учитывая мощную корневую систему, наличие каменистых включений, неровности почвы возле корней и т. п., даже при тщательном спиливании высота пня составляет до 10 см от поверхности почвы.
На нераскорчеванных вырубках в результате рубок ухода часто остаются пеньки (поз. 5 на рис. 1) от малоценных сорных пород деревьев диаметром 8...10 см и высотой до 20 см, также являющихся препятствиями.
Крупные неперерезаемые корни пней могут располагаться как на поверхности почвы, так и залегать на некоторой глубине. Корневые системы с поверхностным расположением (поз. 3 на рис. 1) наблюдаются в основном на избыточно увлажненных и заболачивающихся лесных участках. Количество крупных, скелетных корней на пень составляет не менее 4 ... 6, а их минимальный диаметр, в зависимости от породы деревьев и возраста вырубки, может меняться в пределах 8.17 см.
К каменистым включениям относятся: камни, валуны, выходы скальных пород. Камни (диаметром до 15 см) могут располагаться как на поверхности, так и в почве в пределах всей глубины обработки (поз. 8 на рис. 1). Валуны (поз. 9 на рис. 1) подразделяются на мелкие (диаметром 20.30 см), средние (30.40 см) и крупные
(свыше 40 см). Выходы скальных пород (поз. 10 на рис. 1) на лесных объектах встречаются относительно редко. Как и пни, выходы скальных пород можно характеризовать длиной L и высотой Н [1].
Неровности поверхности почвы чаще всего представляются холмами и впадинами (поз. 6, 7 на рис. 1). Все их разновидности отличаются геометрическими размерами L, Н, h и протяженностью £ (на рис. 1 не показано), причем значения этих параметров варьируются в широких пределах.
Физическое состояние препятствий влияет на величину возмущающих сил. Очевидно, на старых вырубках с частично или полностью разложившимися древесными включениями ЛПА испытывают меньшие сопротивления движению, чем на свежих вырубках.
Больше половины всей безвозвратно теряемой энергии приходится на ходовую часть трактора. Препятствия, неровности рельефа, а также значительная масса самого трактора служат основной причиной возбуждения инерционных сил. Эти силы проявляют себя в виде вертикальных Q (рис. 2) и продольно-угловых ф (на рис. 2 не показано) колебаний рамы трактора. Поперечные колебания I гусеничных тракторов не имеют больших амплитуд. Немаловажную роль играет угол наклона трактора а, изменение которого в процессе движения ведет к неравномерному перераспределению массы относительно центра тяжести, дополнительно раскачивая ЛПА.
/ 2 3 4 3
Рис. 2. Основные объекты возмущающих воздействий на лесной почвообрабатывающий агрегат при выполнении им междурядной обработки почвы в условиях нераскорчеванных вырубок: 1 - впадина; 2 - пониженный пень; 3 - корни; 4 - крупный поверхностный корень; R1 ... R6 - силы реакций трактора и почвообрабатывающего орудия на возмущающие воздействия со стороны вырубки; а - угол наклона остова трактора; Q, I - вертикальные и
поперечные колебания рамы трактора
Интенсивные колебания подрессоренной массы трактора на лесных объектах вызваны большим количеством и неоднородностью встречаемых препятствий. Так, возможен одновременный наезд гусеничным движителем на пониженный пень (поз. 2 на рис. 2), впадину (поз. 1 на рис. 2) или холм, крупный корень, и др. Наиболее часто встречающимися препятствиями являются различные типы пней (поз. 1, 4, 5 на рис. 1), между которыми приходится постоянно маневрировать, и крупных поверхностных корней (поз. 3 на рис. 1), наезды на которые неизбежны при работе ЛПА. Значительно реже частота столкновений с такими препятствиями, как валуны средних и крупных размеров, а также выходов скальных пород (рис. 1), которые
также приводят к колебаниям подвески. Небольшие препятствия в виде камней, мелких валунов, тонкоствольных пней (поз. 5, 8, 9 на рис. 1) под воздействием массы трактора, как правило, деформируются, или полностью вдавливаются в почву, оказывая меньшее влияние на вертикальные перемещения рамы трактора.
Кроме этого, в процессе эксплуатации колебания рамы трактора имеют место и на ровных участках - при трогании с места, переключении передач, а также вследствие возникновения рывков из-за неравномерности тяговых сопротивлений лесных почвообрабатывающих орудий. В этих случаях наблюдаются «клевки» подрессоренной части трактора в продольной плоскости.
Рассеивание энергии колебаний в вертикальной плоскости гусеничного движителя осуществляется при помощи пружинных рессор опорных катков. При переезде препятствий и перемещении гусеничной цепи через высокие неровности натяжение гусениц существенно увеличивается. Для компенсации избыточного натяжения гусеничной цепи служат пружины амортизирующих приспособлений направляющих колес, потенциальная энергия которых также непроизводительно теряется.
Дополнительные затраты энергии, бесполезно рассеиваемые, при упругой деформации в подвеске трактора достигают значительных величин. Так, согласно данным Виноградова Л.М. [2], для гусеничных машин, движущихся по пересеченной местности, на колебания машины расходуется до 30 % топлива. Ряд ученых, таких как Костогрыз С.Г., Ковтун И.П., Семенов Г.И., в своих исследованиях также указывают на большие потери энергии в ходовой системе при движении по лесосеке лесных тракторов и машин.
Костогрызом С.Г. [3] с целью вероятностного описания сосредоточенных препятствий, воздействующих на транспортную машину, на основе таксационных исследований лесосек лесостепной зоны УССР (24 площади по 1 га каждая) была установлена зависимость диаметров и высот пней:
H = a0 + a1D,
(1)
высот и диаметров пней, предлагаемых правилами рубок и существующих в действительности. Каждая из случайных величин D и Н оказались подчинены нормальному закону распределения.
В работе Семенова Г.И. [4] определены нагрузки на ходовую систему гусеничного трактора при переезде обособленных неровностей, характерных для вырубки. При помощи корреляционного анализа установлена взаимосвязь условной длины неровности от ее высоты:
£ = 0,303 + 4,07^ (2)
где h - высота неровности;
£ - условная длина неровности. Экспериментально были получены также зависимости координат обособленных неровностей:
, . ттУ
q = hsm-
£
t-{г -1) У 'V
£
0 < I <—, (3) V
где Н - высота пня;
ао, а1 - коэффициенты регрессии; D - диаметр пня. Причем статистические данные показали заметные расхождения в соотношениях
где q - текущая координата высоты неровности;
V - скорость движения машины; t - текущее время; г - порядковый номер катка; с1 - расстояние между катками. Рассмотренные авторами методы описания условий работы лесотранспорта и трелевочных тракторов представляют определенный интерес, однако функционирование ЛПА имеет свои специфические особенности, которые не позволяют механически использовать приведенные зависимости. Это связано с тем, что традиционные методики теоретического исследования не позволяют с достаточной объективностью и точностью выявить закономерности и особенности работы ЛПА на вырубках. По этой причине полноценно
исследовать и разработать эффективные системы рекуперации энергии для ЛПА не представляется возможным. В связи с этим наиболее совершенным методом исследования движения ЛПА на вырубке является метод имитационного моделирования.
Часть потерь энергии ЛПА расходуется также на преодоление рабочими органами почвообрабатывающего орудия не-перерезаемых препятствий, создающих дополнительные сопротивления движению. Основными типами препятствий для почвообрабатывающих орудий на лесных объектах являются различные виды пней, неперерезаемые корни, камни, валуны и др. (рис. 2). При использовании специальных конструкций предохранительных механизмов для рабочих органов почвообрабатывающих орудий возможно накопление энергии, затрачиваемой рабочими органами на преодоление препятствий.
Особенностью функционирования ЛПА с эффективным предохранителем является то, что до встречи с препятствием он исключает ложные срабатывания при увеличении удельного сопротивления почвы. В случае встречи ЛПА с неперерезаемыми включениями, в зависимости от высоты их залегания, рабочие органы просто перекатываются через такие препятствия с подъемом вверх всего орудия или за счет срабатывания предохранителя, путем отклонения стойки с рабочими органами [1].
Третьим источником энергозатрат является навесной механизм трактора. Здесь потери происходят от колебаний силового гидроцилиндра при транспортировке к месту работы, разворотах трактора без выполнения технологических операций,
подъеме и опускании навешенного орудия. Также имеют место большие перепады давления и нагрев гидравлической жидкости при обработке почвы, когда навесной механизм трактора находится в плавающем положении. Все это свидетельствует о значительных потерях энергии, которая не реализуется с пользой в рабочем процессе ЛПА.
На основе выполненного анализа можно заключить, что в процессе работы ЛПА в тяжелых условиях нераскорчеван-ных вырубок, большое количество энергии непроизводительно теряется в механизмах агрегатируемых тракторов и почвообрабатывающих орудий. Вследствие этого проблема создания энергосберегающих ЛПА на основе эффективных систем рекуперации энергии является актуальной и своевременной [5].
Библиографический список
1. Посметьев В.И. Методологические основы повышения эффективности почвообрабатывающих орудий с помощью предохранителей: монография / Воронеж: ВГЛТА, 1999. 196 с.
2. Виноградов Л.М., Лаптев Ю.Н., Телица С.Г., и др. Пневмогидроаккумуля-торы / М.: Машиностроение, 1993. 176 с.
3. Костогрыз С.Г., Ковтун И.П. Вероятностный анализ препятствий движению лесотранспорта в условиях лесосек // Изв. вузов. Лесной журнал. 1975. № 3. С. 52-57.
4. Семенов Г.И. Анализ режимов работы валочно-трелевочных машин на базе трактора ТТ-4 с целью снижения нагрузок на ходовую систему: автореф. дис. канд.
техн. наук. Химки, 1983. 16 с.
5. Посметьев В.И., Зеликов В.А., Третьяков А.И., Посметьев В.В. О возможности использования рекуперируемой
энергии лесного почвообрабатывающего агрегата для интенсификации технологического процесса // Изв. вузов. Лесной журнал. 2011. № 1. С. 60-64.
