Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 11
1.1 Анализ существующих технологий выкопки сеянцев и саженцев и обзор конструкций выкопочных машин 11
1.2 Анализ конструкторско-исследовательских работ вибрационных механизмов лесных, сельскохозяйственных и дорожных машин 22
1.3 Выводы. Цель и задачи исследований 28
2 Теоретическое исследование рабочего процесса механизма с гидропульсационным приводом для выкопки крупномерных саженцев 30
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы выкопочного механизма с гидропульсационным приводом для выкопки крупномерных саженцев 30
2.2 Методика моделирования 33
2.2.1 Общие положения методики моделирования 33
2.2.2 Представление корневой системы крупномерных саженцев. 38
2.2.3 Представление в модели ножа и упора механизма 41
2.2.4 Представление в модели гидросистемы 45
2.2.5 Общая система уравнений и метод ее решения 54
2.2.6 Программная реализация модели 55
2.2.7 Начальные и граничные условия, допущения модели, устойчивость решения 58
2.2.8 Входные и выходные параметры математической модели. 59
2.2.9 Определение параметров модели по справочным и экспериментальным данным 62
2.3 Исследование эффективности механизма на основе имитационного моделирования 63
2.3.1 Результаты базового компьютерного эксперимента 64
2.3.2 Влияние частоты пульсаций давления 70
2.3.3 Влияние формы импульсов давления 73
2.3.4 Влияние диаметра отверстия в золотнике 75
2.3.5 Влияние площади проточки золотника для параллельного дросселирования жидкости 76
2.3.6 Влияние диаметра гидроцилиндров 78
2.3.7 Влияние формы режущей кромки ножа 80
2.3.8 Влияние диаметра ствола саженца 82
2.3.9 Влияние твердости корневой системы 84
2.4 Многофакторная оптимизация параметров гидропульсационного привода 85
2.5 Основные результаты и выводы по разделу 2 90
3 Программа и методика экспериментальных исследований 93
3.1 Программа исследований 93
3.2 Оборудование, применяемое в экспериментальных исследованиях 93
3.3 Порядок проведения полевого эксперимента 101
3.4 Методика планирования полнофакторного эксперимента при исследовании механизма выкопки саженцев. 103
4 Результаты экспериментальных исследований 107
4.1 Влияние параметров механизма и саженцев на эффективность процесса выкопки 107
4.1.1 Влияние гидропульсатора на эффективность выкопки саженца 107
4.1.2 Влияние частоты пульсации давления 108
4.1.3 Влияние диаметра ствола саженца 111
4.1.4 Влияние породы саженца 113
4.2 Результаты полнофакторного эксперимента 115
4.3 Выводы 119
5 Технико-экономическое обоснование использования машины с гидропульсационным приводом для выкопки крупномерных саженцев лесных культур 121
Общие выводы и рекомендации 129
Библиографический список 131
Приложения 143
- Анализ конструкторско-исследовательских работ вибрационных механизмов лесных, сельскохозяйственных и дорожных машин
- Представление в модели гидросистемы
- Оборудование, применяемое в экспериментальных исследованиях
- Технико-экономическое обоснование использования машины с гидропульсационным приводом для выкопки крупномерных саженцев лесных культур
Введение к работе
Актуальность темы. Лесокультурные и лесовосстановительные работы с учетом постоянно возрастающих объемов заготовки древесины и масштабных лесных пожаров последних лет требуют интенсивных методов производства посадочного материала высокого качества. На основе эколого- и ресурсосберегающей технологий в настоящее время при выполнении данных работ в производственных масштабах используется крупномерные саженцы – посадочный материал в возрасте от трех лет и более, выкопку которого целесообразно производить, сохраняя почву вокруг корневой системы растения. Основные преимущества перед обычными сеянцами и саженцами: хорошо приживается на новом месте произрастания; более конкурентоспособен в борьбе с травяной и нежелательной древесной растительностью (малоценными породами); позволяет ликвидировать сезонность в посадочных работах. Осуществление больших объемов лесовосстанови-тельных и озеленительных работ возможно только с помощью средств механизации. В настоящее время в лесном комплексе для получения посадочного материала в лесопитомниках широко применяются машинные технологии с применением выкопочных машин, которые более полно отвечают современным экологическим требованиям. Однако общим недостатком выкопочных машин является большая энергоемкость и низкие качественные показатели рабочего процесса (высокие усилия резания; обрывы и размочаливание корней растений при выкопке; несохранность почвенного кома). Исследованиями установлено, что наложение знакопеременных нагрузок положительно влияет как на снижение усилий на исполнительных механизмах лесных машин, так и на качество показателей рабочего процесса. В связи с этим целесообразно использовать гидропульсационные механизмы в отечественных выкопочных машинах для повышения эффективности и качества процесса выкопки крупномерного посадочного материала. Конструкция машины для выкопки посадочного материала с почвенным комом, включающая гидропульсационный механизм, позволяет создавать пульсирующую нагрузку на поршни гидроцилиндров и на рабочем органе при номинальном давлении в гидросистеме.
Разработка новой конструкции выкопочной машины с гидропульсационным механизмом требует дополнительных теоретических и экспериментальных исследований, связанных с оптимизацией конструктивных и технологических параметров гидропульсационного механизма, для повышения качества и снижения энергоемкости процесса выкопки крупномерных саженцев и подготовки посадочного места.
Работа выполнена в рамках госбюджетной тематики ФГБОУ ВПО ВГЛТА «Разработка ресурсо- и экологосберегающих технологий и обоснование типа и параметров рабочих органов машин для лесовосстановления и лесоразведения в лесостепной и степной зонах РФ» (№ гос. регистрации 01201168736).
Степень разработанности темы. Вопросам изучения рабочих процессов почвообрабатывающих машин и орудий посвящены работы Алябьева А.Ф., Бартенева И.М., Винокурова В.Н., Драпалюка М.В.,Цыпука А.М., Казакова В.И., По-пикова П.И., Посметьева В.И., Рыбака А.Т., Попова И.В. и др. Проведенный ана-3
лиз этих работ свидетельствует о том, что выкопка крупномерных саженцев с применением пульсирующей нагрузки на рабочие органы является перспективным способом. Но имеющихся данных недостаточно для совершенствования технологического процесса и разработки более эффективных технических средств.
Цель и задачи исследования. Повышение эффективности процесса механизированной выкопки крупномерных саженцев и подготовки посадочных мест путем обоснования параметров гидропульсационного механизма выкопочной машины.
Исходя из поставленной цели работы, определены следующие задачи:
-
обосновать основные конструктивные и технологические параметры гид-ропульсационного механизма и рабочего органа выкопочной машины;
-
разработать математическую модель рабочего процесса механизированной выкопки крупномерных саженцев и подготовки посадочного места с использованием выкопочной машины с гидропульсационным механизмом;
-
разработать режимы технологического процесса механизированной вы-копки крупномерных саженцев и подготовки посадочных мест;
-
изготовить экспериментальный образец выкопочной машины, обосновать компоновку гидропульсационного механизма и провести лабораторные и полевые исследования.
Объект исследования. Объектом исследования являются конструкция гид-ропульсационного механизма выкопочной машины и процесс механизированной выкопки крупномерных саженцев с сохранением корневого кома почвы.
Предмет исследования. Предметом исследования являются конструктивные параметры гидропульсатора механизма и основные параметры его рабочего процесса.
Научная новизна работы:
1) обоснованы параметры гидропульсационного механизма, защищенного
патентами на изобретение № 2587496 и полезную модель № 126889, отличаю
щиеся рациональными значениями, рассчитанными по критериям повышения ка
чества выкопки крупномерных саженцев и уменьшения энергоемкости рабочего
процесса;
2) разработаны математические модели рабочих процессов выкопочной
машины, оснащенной гидропульсационным механизмом, отличающиеся тем, что
учтено влияние конструкции и параметров гидропульсационного механизма на
энергоемкость и качество выкопки крупномерных саженцев;
-
разработаны режимы технологического процесса механизированной вы-копки крупномерных саженцев и подготовки посадочных мест, отличающиеся учетом режимов функционирования разработанного гидропульсационного механизма;
-
обоснована компоновка гидропульсационного механизма, отличающаяся учетом динамических и качественных характеристик рабочих процессов выко-почной машины.
Теоретическая значимость работы состоит в результатах исследования взаимодействия вибрирующего рабочего органа с корневой системой саженца и почвой; в создании физико-математической модели и программы для ЭВМ, описывающей работу выкопочной машины с гидропульсационным механизмом; в ре-4
зультатах теоретических и экспериментальных исследований режимов функционирования разработанного гидропульсационного механизма. Дополнительные исследования взаимодействия вибрирующего рабочего органа с корневой системой саженцев и динамики гидропривода позволили разработать методику оптимизации параметров и режимов функционирования гидропульсационного механизма выкопочной машины.
Практическая значимость работы состоит в разработке новой конструктивно-технологической схемы выкопочной машины с гидропульсационным механизмом, рекомендаций по усовершенствованию технологии механизированной выкопки крупномерных саженцев и подготовки посадочных мест. Результаты внедрены в учебно-опытный лесхоз ВГЛТУ, ООО «Сталь-синтез», ОАО «ЦОКБЛесхозмаш», учебный процесс ВГЛТУ.
Соответствие диссертационной работы паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства, пункту 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин».
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования.
Теоретические исследования были произведены на базе созданной физико-математической модели технологического процесса механизированной выкопки крупномерных саженцев и подготовки посадочных мест. Решение систем уравнений производилось на основе численного интегрирования на ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились с использованием теории планирования и современной методики обработки полученных данных.
Положения, выносимые на защиту:
1) обоснованные параметры гидропульсационного механизма, позволяюще
го повысить качество выкопки крупномерных саженцев и уменьшить энергоем
кость рабочего процесса;
2) математические модели рабочих процессов выкопочной машины, осна
щенной гидропульсационным механизмом, позволяющие учитывать влияние
конструкции и параметров гидропульсационного механизма на энергоемкость и
качество выкопки крупномерных саженцев;
3) закономерности изменения давления рабочей жидкости и качественных показателей рабочих процессов, позволяющие обосновать режимы функционирования разработанного гидропульсационного механизма;
4) обоснованная компоновка гидропульсационного механизма, позволяющая повысить качественные характеристики рабочих процессов выкопочной машины.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов обеспечивается благодаря использованию актуальных методов теоретических и экспериментальных исследований, имитационного моделирования, достаточной сходимостью и положительными результатами экспериментальных исследований.
Ключевые положения диссертации освещались и были обсуждены на: заседаниях кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин, научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного лесотехнического университета имени Г.Ф. Морозова (2012-2016
гг.), международных научно-технических конференциях: «Анализ и синтез сложных систем в природе и технике», (г. Воронеж, 17-18 декабря 2013 г.), «Механика технологических процессов в лесном комплексе» (г. Воронеж, 24 мая 2014 г.), «Эколого-ресурсосберегающие технологии и системы в лесном и сельском хозяйстве» (г. Воронеж, 03-05 июня 2014 г.), «Техника и технологии – мост в будущее» (г. Воронеж, 10-12 декабря 2014 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Лесной комплекс России: актуальные проблемы и стратегии развития» (г. Воронеж, 15-17 апреля 2015 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Наука и техника: новые вызовы и решения» (г. Воронеж, 02-04 декабря 2015 г.); Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Новые подходы в науке и технике» (г. Воронеж, 15-17 декабря 2015 г.).
Личный вклад автора заключается в формировании цели и задачи исследований, создании конструкции выкопочной машины с гидропульсационным механизмом, разработке методики и проведении лабораторного и полевого экспериментов, обработке результатов работы, подготовке публикаций по теме диссертации.
Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 17 работах, включая 3 статьи в изданиях центральной печати, рекомендованных ВАК, 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура диссертации. Диссертация включает: введение, пять глав, общие выводы и рекомендации, библиографический список и приложения. Общий объем работы – 155 страниц, из которых 142 страницы основного текста и 13 страниц приложений. Работа включает в себя 70 иллюстраций, 9 таблиц и 101 наименование использованных источников, в том числе 6 иностранных.
Анализ конструкторско-исследовательских работ вибрационных механизмов лесных, сельскохозяйственных и дорожных машин
В настоящее время исследованиями установлено, что наложение знакопеременных нагрузок положительно влияет как на увеличение усилий на исполнительных механизмах лесных машин, так и на качестве показатели рабочего процесса.
В ВГЛТА разработан корнеподрезчик (патент РФ № 2446654), общий вид которого представлен на рисунке 1.13. На раме 1 с колесами смонтированы направляющие 3, связанные съемными поперечинами 4. Одна направляющая монтируется к раме с помощью подшипникового узла 5, а вторая жестко прикреплена к раме. В направляющих с помощью гидравлического вибратора 6 с заданной частотой происходит возвратно-поступательное перемещение ползунов 8, на которых закреплены подрезающие рабочие органы 9 для подрезки боковых корней саженцев. Давление из гидросистемы трактора направляется в гидравлический вибратор, который сообщает движение с заданной частотой ползунам в направляющих [65].
Для достижения высокого качества подрезки корней целесообразно установить минимальные амплитуды колебаний ножа, при этом стремиться к достижению максимальных значений частот колебаний ножей. Установлено, что оптимальная амплитуда колебаний ножей равна 10…15 мм при скорости трактора 2...2,5 км/ч, частоте вертикальных колебаний ножей 16,5...25 Гц и влажности почвы 8...10 % [65].
Предложена конструкция гидравлического вибратора патент РФ № 2433001, которая позволяет получить пульсирующую нагрузку на поршень гидроцилиндра при номинальном давлении (рисунок 1.14). Гидравлический вибратор состоит из корпуса 1, распределительного золотника 2, выполненного в виде вала с двумя парами взаимно перпендикулярных отверстий 3, 4, 5 и 6 (оси отверстий 3 и 4, а также 5 и 6 параллельны друг другу). Вал золотника соединен с гидравлическим двигателем 7 муфтой 8. В корпусе вибратора имеются каналы 9, 10, 11 и 12, в которые ввернуты штуцеры 13, 14, 15, 16 и 17, 18, 19, 20. Штуцера соединены друг с другом трубопроводами 21, 22, 23 и 24, а с гидроцилиндрами 25 - трубопроводами 26 и 27 [64].
Принцип работы гидравлического вибратора следующий. Рабочая жидкость под входным, номинальным давлением Рвх из штуцера 13, двигаясь через канал 9, отверстие в золотнике 3 и штуцер 20 по трубопроводу 27 и штуцер 29 попадает в поршневую полость А гидроцилиндра, вынуждая перемещаться шток 30, соединенный с поршнем. При этом рабочая жидкость вытесняется из штоковой полости Б гидроцилиндра через штуцер 28, трубопровод 26, штуцер 17, канал 12, отверстие в золотнике 4 и штуцер 15 гидравлического вибратора [64].
В процессе поворота распределительного золотника 2 на угол 90 путь рабочей жидкости через отверстия 3 и 4 закрыт, а через отверстия 5 и 6 – свободен. Рабочая жидкость из штуцера 13, двигаясь через трубопровод 21, штуцер 14, канал 10, отверстие в золотнике 5, штуцер 19, трубопровод 23, штуцер 17, трубопровод 26 и штуцер 28 попадает в штоковую полость Б гидроцилиндра, вынуждая перемещаться шток 30, соединенный с поршнем, в обратном направлении. При этом рабочая жидкость вытесняется из поршневой полости А гидроцилиндра через штуцер 29, трубопровод 27, штуцер 20, трубопровод 24, штуцер 18, канал 11, отверстие в золотнике 6, штуцер 16, трубопровод 22 и штуцер 15 гидравлического вибратора под давлением Рвых. В результате этого, создается возвратно-поступательное движение штока 30 гидроцилиндра 25 при номинальном давлении потока рабочей жидкости [64].
В ВГЛТА разработан дисковый культиватор (рисунок 1.15), в котором используется интересный способ увеличения заглубляемости и стабильности хода дисковых исполнительных механизмов на заданной глубине обработки почвы. Достигнутый эффект получен за счет использования принудительного вибрационного воздействия [75].
Непроизводительно рассеиваемую энергию при перемещении массивного почвообрабатывающего агрегата на вырубках, предлагается накапливать и применять в рабочем процессе для привода вибрационного механизма. В качестве накопителя энергии используется пневмогидравлический аккумулятор [75].
Компьютерное моделирование почвообрабатывающего агрегата с вибрационными рабочими органами (частотой 5…7 Гц и амплитудой 20…30 мм) и системой энергосбережения установило экономию топлива не менее чем на 20…25 % [75].
Предлагается гидравлический вибратор (рисунок 1.16), состоящий из золотников 1 и 5, ГИМ 4, электродвигателей 7 с изменяемой частотой вращения типа МУН-1, которые при помощи приводящих кривошипно-шатунных механизмов 6 с регулируемым эксцентриситетом задают возвратно-поступательное движение золотникам. Поршень, изначально, нагружен пружинами 3. Движение золотников и поршня измерялось тензометрическими датчиками перемещения 2. Питание вибратора осуществлялось от маслонасосной станции с ре гулируемым давлением [75].
Установлено, что с возрастанием давления подводимой рабочей жидкости амплитуда колебаний поршня увеличивается, а форма его колебаний стремится к синусоидальной, кроме того гидравлический вибратор может воспроизводить колебания сложной формы, которые могут быть рассчитаны по заданному уравнению колебаний поршня ГИМ [72].
Для создания периодических затухающих или нарастающих импульсов давления спроектирован пульсатор, в котором отверстия каждого из дисков имеют различный диаметр и конфигурацию и расположены на неподвижном диске по радиусу, в порядке возрастания или уменьшения их размера, а на вращающемся диске — по спирали, в порядке, создающем совмещение его окон с окнами одинакового размера неподвижного диска [72].
На рисунке 1.17 представлен описываемый пульсатор (а – продольный разрез; б – вращающийся диск пульсатора; в – неподвижный диск пульсатора). Используя сменные диски с различным расположением и размерами окон, возможно получить различные формы периодических импульсов давления [72].
Представление в модели гидросистемы
Гидравлическая подсистема представлена в модели совокупностью полостей (гидроцилиндров, трубопроводов), золотника гидропульсатора в виде дросселей с переменными параметрами, обратных клапанов (рисунок 2.9) [16].
В основе моделирования гидравлической подсистемы лежит анализ, на каждом шаге интегрирования, изменения объемов Vm полостей отдельных элементов гидросистемы (m – индекс полости) при относительном движении отдельных элементов механизма. В модели считается, что объем полости Vm и давление в ней Pm связаны соотношением где E – объемный модуль упругости рабочей жидкости гидросистемы [16].
В случае разных давлений в полостях i и j, между которыми имеется гидравлическая связь, необходимо воспроизвести в модели перемещение рабочей жидкости из одной полости в другую, для чего рассчитывается расход Qij по формуле: где kij – коэффициент дросселирования; sign(x) – функция, принимающая значения +1 или –1 в зависимости от знака x для учета направления перетекания жидкости. Эта формула используется и для дросселей с малым коэффициентом kij и для трубопроводов со значительным kij [16].
В модели принято допущение, что дросселирование между полостями осуществляется через круглое сечение. Тогда коэффициент дросселирования определяется через эффективный диаметр dij отверстия: где ц и у - коэффициент расхода и удельный вес рабочей жидкости [16].
Трубопроводы в модели считаются абсолютно жесткими, однако их упругость учитывается косвенно: соответствующим изменением объемного модуля упругости рабочей жидкости Е.
При вращении вала золотника изменяется характер перекрытия канала с входным и выходным отверстиями (рисунок 2.10). Соответственно изменяется площадь So эффективного отверстия дросселя, которым в модели представляется каждый канал золотника. Получим зависимость площади So от времени.
Рассчитанная по изложенной методике зависимость площади отверстия золотника от времени представлена на рисунке 2.11. На графике дополнительно учтена площадь проточки Sп, несколько увеличивающей эффективную площадь сечения и «поднимающая» график. На графике обозначение TП – длительность одного пика, ТГП – период вращения вала гидропульсатора, за который отверстие в золотнике два раза пропускает рабочую жидкость и соответственно формирует два импульса давления.
При работе гидропульсационного привода происходит изменение параметров гидросистемы и движение рабочей жидкости между элементами гидросистемы. Во-первых, изменяются объемы поршневых полостей VГ1 и VГ2 из-за движения поршней гидроцилиндров под действием сил, передаваемых от контакта с корневой системой и силы со стороны рабочей жидкости. Поэтому на каждом шаге численного интегрирования дифференциальных уравнений, лежащих в основе модели, производится расчет текущих объемов полостей по следующим формулам: где Dr - внутренний диаметр гидроцилиндра; Dm - диаметр штока гидроцилиндра; хп и Хг2 - координаты поршней в первом и втором гидроцилиндрах.
В модели принято допущение, что объемы трубопроводов Vn и VT2 не изменяются с течением времени и одинаковы (Vn = VT2 = VT = const), а их упругость учитывается эффективным модулем упругости жидкости в трубопроводе Ет.
Во-вторых, с течением времени изменяются коэффициенты дросселирования кдр в золотниковом узле из-за вращения вала золотника. Поэтому на каждом шаге интегрирования рассчитывается коэффициент дросселирования кдр в золотнике (принято допущение, что коэффициенты дросселирования по обоим каналам одинаковы):
При движении штоков гидроцилиндров происходит изменение объемов их полостей, что вызывает перетекание рабочей жидкости и изменение соответствующих давлений. На каждом шаге интегрирования необходимо рассчитать новое давление Ртт в каждой полости m через старое давление Ртт ! по формуле (2.14), переписанной в конечных разностях: где индекс m принимает значения «ТІ», «Т2», «El», «Е2».
В ходе моделирования давление в некоторой полости Ртт может оказаться отрицательным из-за слишком быстрого ухода рабочей жидкости из полости, что противоречило бы физическому определению давления. В этом случае производится обнуление давления Ртт:
С учетом конфигурации гидравлической подсистемы в модели рассматриваются следующие виды перемещения рабочей жидкости (рисунок 2.9):
1) перемещение рабочей жидкости из ТІ в Г Г.
2) перемещение рабочей жидкости из Г1 в ТІ:
3) перемещение рабочей жидкости из Т2 в Г2:
4) перемещение рабочей жидкости из Г2 в Т2\
5) перемещение рабочей жидкости из 17 в 72:
6) перемещение рабочей жидкости из Т2 в Т1:
7) поступление рабочей жидкости из магистрали высокого давления в ТТ.
8) поступление рабочей жидкости из магистрали высокого давления
В модели рассматривается только рабочий этап технологического процесса с движением ножа в прямом направлении, поэтому в модели учитывается только поступление рабочей жидкости из магистрали высокого давления (Рвх), но не уход жидкости в магистраль низкого давления.
В каждом гидроцилиндре подвижная часть (поршень со штоком) рассматривается как отдельное тело, и описывается следующим законом движения: где положительным направлением xn считается направление в сторону выкапываемого саженца; 1 - номер гидроцилиндра ("7" или "2"); Рнп - сила, передаваемая на гидроцилиндр со стороны внедряемого в древесину ножа; Fmp - сила сухого трения в гидроцилиндре.
Вращательное движение ножа и вертикальных стоек относительно шарнира происходит под действием сил со стороны корневой системы Fn и гидроцилиндра Fr (рисунок 2.12). Вращательное движение описывается следующим уравнением: где JH - момент инерции вращающейся части механизма; Рн - угловое положение рабочего органа; M(Fn) иM(Fr2) - моменты сил со стороны гидроцилиндров; M(FH) - момент силы, оказываемой на нож со стороны выкапываемого саженца; Мтр - момент статической силы трения в узлах шарнирного крепления рабочего органа [17].
Определение моментов M{Fn\ M{Fr2) и M(Fn) производится с учетом геометрических параметров рабочего органа (рисунок 2.12): где ВО и АО - длины плечей от шарнирного узла до узла соединения со штоком гидроцилиндра и до точки контакта ножа с древесиной. Проекции активных сил Fnnp и Fnnp определяются с учетом текущих углов механизма: где ерг - угол раствора плечей АО и SO рабочего органа; Рн - угловое положение плеча АО относительно горизонтального направления; (хв, zB) и (JCC, ZC) - координаты точек В и С; А:- номер элемента, взаимодействующего с ножом; FkHx и FWz - декартовы составляющие силы взаимодействия между ножом и к-м элементом. В окончательной форме закон вращательного движения рабочего органа можно записать следующим образом:
Также математическую модель необходимо дополнить уравнением, связывающим координаты точки В (хв и ZB) с положением поршня в гидроцилиндре: хп = LKr - J(xB-хсУ + (zB -zc)\ (2.42) где Ькг - длина корпуса гидроцилиндра (расстояние от оси шарнира крепления гидроцилиндра до дальнего предела перемещения поршня).
Оборудование, применяемое в экспериментальных исследованиях
Для всесторонних измерений результатов выкопки саженца и показателей эффективности механизма используется следующее оборудование. Две видеокамеры обеспечивают видеосъемку процесса выкопки сзади и сбоку (рисунок 3.4, а). С помощью линейки и рулетки производятся измерения параметров саженцев (рисунок 3.4, б), величины смещения прикорневой части саженцев в двух направления (рисунок 3.4, в), а также геометрические параметры оставшегося после выкопки углубления (рисунок 3.5). Производится визуальное обследование результатов выкопки: оценка количества перерезанных корней, их состояние и смещение (рисунок 3.6). Измерение давления в гидросистеме до и после гидропульсатора производится датчиками давления (рисунок 3.7).
Давление на входе и выходе гидропульсатора измеряли датчиками Honeywell MLH300PSB02A (рисунок 3.7). С помощью аналоговых устройств ввода-вывода (ADAM-4017 и ADAM-4016) (рисунок 3.8) и преобразователя интерфейса RS-232/RS-485 (ADAM-4520) производилась обработка сигнала вычислительным устройством.
Устройства ADAM включают набор интеллектуальных модулей, которые обеспечивают интерфейс датчик–компьютер и содержат встроенные микроконтроллеры.
Модули обеспечивают согласования сигналов, их изоляцию, преобразования диапазонов и их цифровую трансляцию.
Модули объединены для обмена данными с компьютером и работают с протоколом RS-485, обеспечивая связь в ASCII формате.
Подключение модулей к компьютеру осуществляется при помощи преобразователя интерфейса ADAM-4520 (рисунок 3.8, б).
ADAM-4017 (рисунок 3.8, в) – это 16-разрядное, 8-канальное устройство аналогового ввода, позволяющее программировать входные диапазоны по всем каналам.
Устройство ADAM 4016 создает согласование сигналов, аналого-цифровое конвертирование, связь по интерфейсу RS-485 наблюдение верхнего и нижнего его значения.
Тарировка датчика давления производилась на кафедре МЛХиПМ ВГЛТА. Датчик присоединялся к распределителю насосной станции. Давление изменялось в насосной станции с шагом 0,5 МПА, а сигнал с датчика записывался на компьютер. График тарировки датчика давления рабочей жидкости приведен на рисунке 3.9
Определение работы выкопки саженца рассчитывали путем интегрирования временной зависимости напряжения на датчике давления Up(t), записанной на компьютере: AB=kN\up(t)-dt, h где tj и t2 - время, при котором начинается и заканчивается процесс выкопки саженца; - калибровочный коэффициент (единицы измерения Дж/В), полученный по результатам предварительной калибровки, и полученного тарированного графика датчика (рисунок 3.9). Определенное значение kN составило 3,09104 Дж/В. Моменты времени начала ti и окончания t2 выкопки саженца определяли по кадрам видеозаписи эксперимента. По данным параметрам рассчитывали время выкопки саженца: tB=t2 t1. (3.2)
Смещение прикорневой части саженца Ахк измеряли линейкой (рисунок 3.5, б).
Технико-экономическое обоснование использования машины с гидропульсационным приводом для выкопки крупномерных саженцев лесных культур
Экспериментальный образец машины для выкопки крупномерных саженцев агрегатировалась с трактором класса тяги 1,4.
Данная машина применялась для подготовки посадочных мест под посадку, так как образованная посадочная яма повторяет контуры кома почвы с саженцем снижая затраты труда при этом не требуется применения ямокопателей. Полевые испытания проводились в учебно-опытном лесхозе ВГЛТУ в лесопитомнике и на гарях для корчёвки мелких пней с диаметром до 15 см и подготовки посадочных мест.
При определении эффективности экспериментального образца машины применялся справочный материал [48, 49, 50, 51, 52, 53].
Исходные данные для расчета экономической эффективности приведены в таблице 5.3
Годовую загрузку базовой машины приняли равной 190 рабочих дней в году, учитывая, что, выкопку саженцев с комом почвы можно производить-весной, летом и осенью. Годовую загрузку предложенной машины приняли равной 247 рабочих дней в году.
Порядок расчёта:
1.Определение производительности выкопочной машины
2.Определение капитальных вложений
3. Определение удельных текущих затрат
4.0пределение основных показателей экономической эффективности
В результате сравнения коэффициента экономической эффективности и срока окупаемости дополнительных капитальных вложений с нормативными значениями, получаем следующее
Таким образом, можно сделать вывод, что выполняются необходимые условия (Кз Ен,ї їн). Следовательно, проектируемая машина эффективна с экономической точки зрения. Итоговые результаты отражены в таблице 5.4.