CC BY
41
Машины и оборудование
DOI: 10.12737/4527 УДК 630*232.216
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УНИВЕРСАЛЬНОГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ОРУДИЯ НА ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТЬ
доктор технических наук, профессор, заслуженный лесовод РФ, профессор кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин И. М. Бартенев аспирант кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин И. В. Попов ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» [email protected], [email protected]
За последние годы в области механизации посадки леса произошел огромный скачок. В последнее время широко внедряются новые методы посадки, а именно точечная подготовка посадочных мест. Агрегаты, работающие по данному методу, обладают такими преимуществами по сравнению с машинами, работающими по принципу образования непрерывной борозды, как меньшее энергопотребление, возможность работы среди растущих деревьев, на нерасчищенных вырубках, неудобиях. Конструкция универсального почвообрабатывающего орудия (УПО) реализует все достоинства точечного метода посадки и позволяет готовить как микроповышения в условиях временно переувлажняемых почв, так и микропонижения (или площадки) на дренированных почвах (рис. 1, а) [1]. В процессе работы орудия трактор подъезжает к предполагаемому посадочному месту, останавливается, орудие опускается на землю, после чего включается независимый привод вала отбора мощности (ВОМ) трактора. Сферические диски заглубляются в почву, вращаются вокруг вертикальной оси орудия и собственной оси вращения. В зависимости от угла установки дисков может образовываться как микроповышение, так и микропонижение в виде горизонтальной
площадки. При достижении требуемой глубины лунки привод ВОМ отключается, машина выглубляется, затем трактор переезжает к следующему месту работы.
Из большого количества геометриче-
б
Рис. 1. Универсальное почвообрабатывающее орудие: а - принципиальная схема; б - представление в модели, 1 - рама орудия; 2 - редуктор; 3 - выходной вал редуктора; 4 - сферические диски; 5 - поводки; 6 - обойма; 7 - бур; 8 - ось диска;
9 - резцы
Лесотехнический журнал 2/2014
197
Машины и оборудование
ских параметров УПО наиболее важными являются угол установки дискового рабочего органа (в на рис. 1, а), и длина поводка /ц. Поэтому целью данной работы было исследование влияния данных параметров на эффективность УПО и поиск их оптимальных значений.
Анализ производится на основе разработанной ранее математической модели функционирования УПО. В рамках модели имитируется обработка почвы, как фрагментируемой среды [2, 3], тремя рабочими поверхностями в форме сферических дисков (рис. 1, б). Моделирование почвы производится в рамках SPH-подхода: почва представляется совокупностью 7000 шарообразных элементов диаметром 5 см, способных взаимодействовать вязко-упругими силами как между собой, так и с рабочими поверхностями орудия [4, 5, 6]. Рабочие поверхности УПО представляются в модели совокупностью элементарных треугольников.
Качество формирования микроповышения (микропонижения) можно оценить по его поперечному профилю (рис. 2, а). В модели профиль состоит из отдельных точек (центры элементов почвы). Для удобства визуального восприятия он может быть перестроен в виде сплошной затемненной области. Основным показателем качества формирования микроповышения (микропонижения) является параметр hK - высота конуса микроповышения (или глубина конуса микропонижения). Еще одним показателем, определяющим качество образуемого посадочного места является показатель окружной неравномерности AhH. Способы определения величин hK и AhH представлены на рис. 2, б, в.
Рис. 2. Определение показателей качества формирования микроповышений и микропонижений: а - поперечный профиль формируемого микропонижения; б - определение высоты конуса микроповышения и глубины конуса микропонижения; в - определение окружной неравномерности конуса
Средняя потребляемая мощность определяется по формуле
N =---------------=--------1------
ср & \к - К) At •( к - к)
кк NT б
N3 \
SS •£f
k =kH j = 1 V
ijk
i=1 у
где A - работа сил сопротивления движения рабочих поверхностей;
At - шаг интегрирования дифференциальных уравнений;
кн и кк - номера шагов интегрирования при которых начинается и заканчивается контакт УПО с почвой;
NT и ^ - количество элементарных
198
Лесотехнический журнал 2/2014
Машины и оборудование
треугольников, из которых состоят рабочие поверхности УПО, и элементов почвы;
Aj - перемещение j-го элементарного треугольника поверхности за k-й шаг интегрирования;
Fijk - сила, действующая между i-м элементом почвы и j-м элементарным треугольником поверхности на k-м шаге интегрирования.
Угол схождения дисков в является параметром, в наибольшей степени определяющим поперечный профиль микроповышения (микропонижения). Несмотря на то, что выше, в процессе оптимизации, исследовали влияние угла в совместно с углом а, целесообразно более подробно изучить однофакторную зависимость показателей эффективности от в. С этой целью провели серию компьютерных экспериментов, в которой изменяли от -30 до 30° с шагом 10°.
Угол в является параметром, которым можно задавать режим обработки: формирование микроповышений (в > 0) или микропонижений (в < 0), что хорошо прослеживается на поперечных профилях (рис. 3, 4). Наиболее выраженное микропонижение формируется при значениях в менее -20°, а наиболее выраженное микроповышение формируется при значениях в более 20°. О выраженности конуса можно судить по его высоте (рис. 5, а): при нахождении |в| в интервале от 20 до 30° высота конуса наибольшая, превышает 20 см в случае формирования микроповышения и 12 см в случае формирования микропонижения. Анализ окружной равномерности по профилям к(ф) (рис. 5, б) показывает, что при |в| = 20...30О окружность получает-
ся более равномерной, чем в случаях |в| = 0...10° Потребляемая УПО мощность не зависит существенно от угла схождения в (рис. 5, в).
Таким образом, можно рекомендовать угол схождения в = 20...30° для режима формирования микроповышений и в = -
30...-20° для режима формирования микропонижений. Такие же результаты были получены и при двухфакторной оптимизации (соответственно 25° и -24°). Изменением угла в меньшую или большую сторону (20° или 30°) можно производить более точную настройку формы микроповышения (микропонижения), в частности изме-
h(r)
в = -30О 0,2 0,1 0,0
h(r)
в = -20О 0,2 0,1 0,0
h(r)
в = -10О 0,2 0,1 0,0
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 г, м
в = 0О
в = 10О
в = 20О
h(r)
0,2
0,1
0,0
h(r)
0,2
0,1
0,0
h(r)
0,2
0,1
0,0
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 г, м
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 г, м
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 г, м
h(r)
в = 30О 0,2 0,1 0,0
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 г, м
Рис. 3. Зависимость поперечного профиля области обработки от угла схождения дисков в
Лесотехнический журнал 2/2014
199
Машины и оборудование
к(ф)
в = -30О 0,2 0,1 0,0
к(ф)
в = -20О 0,2 0,1 0,0
к(ф)
в = -10О 0,2 0,1 0,0
к(ф)
в = 0О 0,2 0,1 0,0
к(ф)
в = 10О 0,2 0,1 0,0
0
к(ф)
в = 20О 0,2 0,1 0,0
30
60
90 ф,град.
0
90 ф,град.
к(ф)
в = 30О 0,2 0,1 0,0
0 30 60 90 ф, град.
Рис. 4. Зависимость окружного профиля области обработки от угла схождения дисков в
нять крутизну и высоту конуса.
Длина поводка 1д (расстояние между осью выходного вала редуктора и геометрическим центром диска) влияет главным образом на диаметр формируемого конуса обработки. С целью выяснения влияния 1д на показатели эффективности УПО прове-
0 10 20 в, град.
Рис. 5. Влияние угла схождения дисков в на показатели эффективности УПО: а - высоту (глубину) формируемого конуса; б - неравномерность высоты вдоль окружности конуса; в - потребляемую мощность. Сплошая кривая - режим формирования микроповышений; штриховая - микропонижений
дена серия компьютерных экспериментов, в которой 1д изменялся от 0,4 до 0,7 м с шагом 0,1 м (рис. 6.. .10).
Обнаружено, что длина поводка влияет на диаметр конуса, однако также влияет на форму и выраженность конуса. Судя по поперечным профилям (рис. 6, 7), радиус микроповышения можно изменять от 0,55 до 0,70 м изменением длины по-
200
Лесотехнический журнал 2/2014
Машины и оборудование
1Д
1Д
0,4 м
0,5 м
h(r)
0,2
0,1
0,0
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6
r, м
h(r)
0,2
0,1
0,0
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 r, м
1Д
0,6 м
h(r)
0,2
0,1
0,0
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 r, м
1Д
0,7 м
h(r)
0,2
0,1
0,0
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 r, м
Рис. 6. Зависимость поперечного профиля области обработки от длины поводка /д в режиме формирования микроповышений
h(r)
0,2
/д = 0,4 м 0,1 0,0
h(r)
0,2
1д = 0,5 м 0,1 0,0
/д = 0,6 м
/д = 0,7 м
h(r)
0,2
0,1
0,0
h(r)
0,2
0,1
0,0
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6
Рис. 7. Зависимость поперечного профиля области обработки от длины поводка /д в режиме формирования микропонижений
водка от 0,4 до 0,7 м. При слишком малой длине поводка (/д = 0,4 м) близко установленные диски подают почву в область бура, и засыпают отверстие для сеянца. При слишком же большой длине поводка (/д = 0,5...0,6 м) диски далеко отстоят от оси выходного вала редуктора, и подаваемый ими поток почвы находится далеко от лунки для сеянца, при этом, несмотря на
большой диаметр микроповышения, вблизи самой лунки образуется микропонижение диаметром 0,6.. .0,7 м. Поэтому с точки зрения оптимальной формы конуса длина поводка должна составлять около 0,5 м.
Окружная неравномерность AhH плавно уменьшается с увеличением /д (рис. 8, 9, б) и не выходит из интервала
7.. .10 см. Потребляемая мощность существенно растет, приблизительно по линейному закону (рис. 9, в), при увеличении /д, что также ограничивает использование УПО в случае широко расставленных дисков.
Таким образом, оптимальной является длина поводка 0,5 м. При этом обеспечивается наилучшая форма конусов микроповышения и микропонижения, достаточно мала окружная неравномерность (около 8 см), и приемлема потребляемая мощность (около 8 кВт).
Таким образом, угол схождения дисков в должен находиться в диапазоне
20.. .30° для режима формирования микроповышений и -30...-20° для режима формирования микропонижений. Изменением угла в меньшую или большую сторону можно управлять формой микроповышения (микропонижения), в частности изменять крутизну и высоту конуса. Длина поводка (расстояние от оси ротора до геометрического центра диска) должна составлять 0,5 м. При этом обеспечивается наилучшая форма конусов микроповышения и микропонижения, достаточно мала окружная неравномерность (около 8 см), и приемлема потребляемая мощность (около 8 кВт).
Лесотехнический журнал 2/2014
201
Машины и оборудование
К<р)
1д = 0,4 м 0 1
0,2
0,1
0,0
К<р)
0,2
1Д = 0,5 м 0,1 0,0
Кч>)
0,2
1Д = 0,6 м 0 1
1Д = 0,7 м 0 1
0,0
К<р) 0,2 0,1
^ > 0,0
Кф) 0,2 0,1 0,0
Кф) 0,2 0,1 0,0
h(v) 0,2 0,1 0,0
0 30 60 90 ф, град.
Формирование микроповышений
0
30
60
90 ф, град.
Формирование микропонижений
Рис. 8. Зависимость окружного профиля области обработки от длины поводка 1д
Рис. 9. Влияние длины поводка 1д на показатели эффективности УПО: а - высоту (глубину) формируемого конуса; б - неравномерность высоты вдоль окружности конуса; в - потребляемую мощность
Сплошая кривая - режим формирования микроповышений; штриховая - микропонижений
Библиографический список
1. Попов, И. В. Математическая модель универсального почвообрабатывающего орудия [Электронный ресурс] / И. В. Попов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. -Краснодар : КубГАУ, 2013. - № 88 (04). -Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/ 04/pdf/38.pdf.
2. Советов, Б. Я. Моделирование систем [Текст] : учебное пособие /
Б. Я. Советов, С. А. Яковлев. - М. : Высш. шк., 1998. - 319 с.
3. Хеерман, Д. В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике [Текст] / Д. В. Хеерман. - М. : Наука,
202
Лесотехнический журнал 2/2014
Машины и оборудование
1990. - 176 с.
4. Premoze, S. Particle Based Simulation of Fluids [Text] / S. Premoze, T. Tasdi-zen, J. Bigler // Eurographics. - 2003. - Vol. 22. - № 3. - P. 103-113.
5. Monaghan, J. Smoothed Particle Hydrodynamics [Text] / J. Monaghan // Annu.
Rev. Astron. Astrophys. - 1992. - Vol. 30. -P. 543-574.
6. Кривцов, А. М. Деформирование и разрушение тел с микроструктурой [Текст] / А. М. Кривцов. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 304 с.
DOI: 10.12737/4528 УДК 631.3-1/-9
СОВРЕМЕННОЕ РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕСОПОСАДОЧНЫХ МАШИН
ЗА РУБЕЖОМ
доктор технических наук, профессор, заслуженный лесовод РФ, профессор кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин И. М. Бартенев аспирант кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин И. В. Попов ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» [email protected], [email protected]
До 1965 г. все лесопосадочные машины были спроектированы по принципу непрерывной посадки и использовались для посадки саженцев с открытой корневой системой. Однако из-за труднопроходимой местности во многих регионах, характерной условиями пересеченного рельефа, с большим количеством камней и пней, возникла необходимость использования машин с прерывистой бороздой посадки. В Швеции были испытаны первые точечные посадочные машины и ямокопатели, но в то время это считалось технически сложным.
С середины 1970-х были разработаны несколько точечных посадочных машин, образующих прерывистую борозду для посадки. В отличие от лесопосадочных машин непрерывного действия, агрегаты этого типа создают отдельные углубления или небольшие борозды с определенным ин-
тервалом и автоматически помещают в них саженцы, что помогает экономить энергию и усилия на посадку. Они способны работать в более сложных условиях: на пересеченной местности или среди больших препятствий, на тяжелых почвах подверженных эрозии и территориях с большим количеством порубочных остатков.
Примером этого типа машин является Timberland Equipment Limited HODAG (рис. 1, а) - двухрядная прерывистобороздная лесопосадочная машина производства Канады.
Диапазон регулировки расстояния в междурядье составляет 5...6 футов (1,52... 1,82 м). Также существует однорядная модификация. Timberland HODAG предназначена для посадки саженцев лесных пород в прерывистые посадочные щели.
Машина состоит из посадочного ор-
Лесотехнический журнал 2/2014
203
