Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Современные технологии подготовки почвы на нераскорчеванных выруб
ках 9
1.2 Анализ конструкций лесных почвообрабатывающих орудий 12
1.3 Обзор теоретических исследований процесса взаимодействия рабочего органа с почвенным пластом 30
1.4 Выводы, цель и задачи исследований 38
2 Теоретические исследования процесса взаимодействия комбинированного дискового рабочего органа с почвой при нарезке борозд на вырубках 40
2.1 Обоснование параметров процесса взаимодействия комбинированного дискового рабочего органа с почвой 40
2.2 Математическая модель процесса взаимодействия комбинированного дискового рабочего органа с почвой 42
2.3 Решение математической модели с помощью ЭВМ 55
2.4 Теоретические зависимости, характеризующие взаимодействие рабочего органа лесного дискового плуга с почвой 63
2.4.1 Базовый компьютерный эксперимент с типичными значениями входных параметров 64
2.5 Оптимизация параметров комбинированного рабочего органа лесного диско вого плуга 82
2.5.1 Оптимизация углов установки отвала 82
2.5.2 Оптимизация положения отвала и частоты вращения диска 86
2.6 Выводы 87
3 Программа и методика экспериментальных исследований 90
3.1 Программа исследований 90
3.2 Оборудование, применяемое в экспериментальных исследованиях 90
3.3 Методика проведения экспериментальных исследований 98
4 Результаты лабораторных и полевых исследований 105
4.1 Определение качественных показателей лесного дискового плуга в лабораторных условиях 105
4.2 Определение энергетических показателей лесного дискового плуга в лабораторных условиях 115
4.3 Выводы 123
5 Экономическая эффективность применения комбинированного лесного дискового плуга с приводом от гидромотора 125
5.1 Результаты производственных испытаний экспериментального образца лесного дискового плуга 125
5.2 Расчет экономической эффективности 128
Общие выводы и рекомендации 136
Список используемых источников
- Обзор теоретических исследований процесса взаимодействия рабочего органа с почвенным пластом
- Математическая модель процесса взаимодействия комбинированного дискового рабочего органа с почвой
- Оборудование, применяемое в экспериментальных исследованиях
- Определение энергетических показателей лесного дискового плуга в лабораторных условиях
Введение к работе
Актуальность исследования. Согласно статье 62 «Лесовосстановление» Лесного Кодекса РФ лесовосстановление проводится на вырубках, гарях, прогалинах, иных не покрытых лесной растительностью или пригодных для лесовосстановления землях. Предусматриваются различные способы подготовки почвы (сплошная обработка, частичная обработка и т.д.) в зависимости от лесорастительной зоны, условий местопроизрастаний и др. На нераскорчеванных вырубках, где невозможна или нецелесообразна сплошная обработка почвы, применяют частичную обработку почвы. К ней относят обработку почвы полосами, бороздами, площадками, террасами, клумбами, ямками и др.
В настоящее время на лесных площадях выполняют частичную обработку почвы в виде нарезки борозд с применением лемешных плугов (ПКЛ-70; ПЛП-135; ПЛ-1; ПЛШ-1 и др.) и дисковых плугов (ПЛД-1,2; ПДВ-1,5; ПД-0,7 и др.). Лемешные плуги обеспечивают качественный оборот и укладку пласта вдоль образуемой борозды лишь при работе на расчищенных от пней участках. При использовании на нераскочеванных вырубках они плохо преодолевают различные препятствия в виде пней, корней, порубочных остатков и др. Дисковые плуги способны преодолевать препятствия, перекатываясь через них, не залипают, медленнее изнашиваются. Однако дисковые плуги не удовлетворяют требованиям по качеству обработки почвы, т.к. отдельные ее пласты не оборачиваются, разрываются на отдельные куски и разбрасываются вдоль образуемой борозды.
Таким образом, в настоящее время нет достаточно эффективного орудия, способного обеспечить качественную обработку почвы на нераскорчеванных вырубках. Поэтому для повышения качества подготовки почвы возникает необходимость создания комбинированного лесного дискового плуга с гидроприводом для работы на нераскорчеванных вырубках.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ГОУ ВПО «ВГЛТА» «Совершенствование технологий, машин и оборудования лесного комплекса» (№ гос. регистрации 01.2.00609242).
Степень разработанности проблемы. Вопросами механизации лесовосстановления на вырубках занимались такие ученые как А.И. Баранов, И.М. Зима, Т.Т. Малюгин, П.С. Нартов, И.М. Бартенев, В.Н. Винокуров, В.И. Вершинин, П.И. Попиков, Г.А. Ларюхин, Ю.М. Жданов, В.И. Посметьев, Л.Т. Свиридов, В.И. Казаков, М.В. Драпалюк, П.Э. Гончаров, С.В. Дорохин и др.
Из анализа теоретических исследований параметров существующих технических устройств для подготовки почвы на вырубках следует, что наиболее перспективными являются дисковые плуги. Однако рабочие процессы и параметры дисковых рабочих органов активного действия, оснащенных дополнительными отвалами, недостаточно исследованы, нет четкого представления о том, какими должны быть параметры дисков, отвалов и привода.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение качественных показателей процесса обработки почвы, путем обоснования основных параметров комбинированного дискового рабочего органа активного действия.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи:
1. Разработать математическую модель процесса взаимодействия нового комбинированного рабочего органа лесного дискового плуга с почвой.
2. Обосновать оптимальные геометрические и кинематические параметры рабочего органа дискового плуга, обеспечивающие высокое качество обработки почвы с минимальной энергоемкостью.
3. Изучить процесс взаимодействия комбинированного дискового рабочего органа с почвой при нарезке борозд, изготовить экспериментальный образец и провести лабораторные испытания.
4. Обосновать общую схему экспериментального плуга, оснащенного комбинированным дисковым рабочим органом активного действия и дополнительным отвалом, и определить ожидаемый экономический эффект от его применения.
Предмет и объект исследования. Объектами исследования являются дисковый рабочий орган, гидропривод, отвал, почва.
Предметом исследования являются математическая модель, методы и алгоритмы поиска оптимальных конструктивных и технологических параметров лесного дискового плуга.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретические исследования базировались на математическом моделировании рабочих процессов почвообрабатывающих орудий. Решение систем дифференциальных уравнений осуществлялось с применением численного интегрирования на ЭВМ. Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается сопоставлением данных лабораторных и производственных экспериментов. Полученные данные обрабатывались с использованием программ Excel, MathCad 2000, Microcal Origin 5.0 и Borland Delphi 7.0.
Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Математическая модель рабочего процесса взаимодействия дискового рабочего органа с почвой, позволяющая получить оптимальные параметры комбинированного дискового рабочего органа.
2. Оптимальные геометрические и кинематические параметры комбинированного дискового рабочего органа, позволяющие усовершенствовать конструкцию лесного дискового плуга.
3. Закономерности процесса взаимодействия комбинированного дискового рабочего органа с почвой, позволяющие оценить качественные показатели и энергоемкость процесса при различных геометрических и кинематических параметрах.
4. Рекомендации по общей компоновке плуга, оснащенного комбинированным дисковым рабочим органом активного действия и дополнительным отвалом, позволяющие повысить качество и эффективность процесса обработки почвы.
Научная новизна результатов исследования:
1. Разработана математическая модель процесса взаимодействия комбинированного дискового рабочего органа с почвой, отличающаяся учетом влияния параметров установки дискового рабочего органа и дополнительного отвала, скорости вращения диска на эффективность и энергоемкость технологического процесса. Программа решения модели на ЭВМ подтверждена свидетельством № 2008611948.
2. Обоснованы геометрические и кинематические параметры комбинированного рабочего органа лесного дискового плуга, отличающиеся оптимальными значениями, полученными по критериям качества и энергоёмкости процесса обработки почвы.
3. Установлены закономерности изменения показателей качества и энергоемкости процесса обработки почвы от геометрических и кинематических параметров рабочего органа лесного дискового плуга, отличающиеся учетом принудительного вращения сферического диска и параметров отвала.
4. Установлен принцип компоновки комбинированного рабочего органа лесного дискового плуга, отличающийся учетом взаимодействия активного дискового рабочего органа и дополнительного отвала в процессе обработки почвы.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость заключается в установлении влияния конструктивных и технологических параметров комбинированных рабочих органов на процесс обработки почвы; получении математической модели рабочих процессов лесного дискового плуга; разработке нового комбинированного дискового плуга, защищенного патентом на полезную модель № 64843.
Разработанные на основе математического моделирования алгоритмы, программы для ЭВМ, рекомендации по выбору параметров комбинированных дисковых рабочих органов используются в научно-исследовательских институтах ГНУ ВНИАЛМИ, в конструкторском бюро ЦОКБлесхозмаш, в учебно-опытном лесхозе ВГЛТА и в учебном процессе ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» при подготовке инженеров лесотехнического профиля.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства, (критерии п. 8 «Положение о порядке присуждения ученых степеней» Минобрнауки России).
Апробация и реализация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2005-2010 гг.), на технических советах ВНИАЛМИ, ЦОКБлесхозмаш, а также заседаниях кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии.
Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 16 научных работах, из них 3 работы - в изданиях центральной печати, рекомендованных ВАК Федерального агенства по образованию РФ, 3 публикации без соавторов, 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура диссертации. Общий объем диссертационной работы представлен на 191странице включающих 153 страниц основного текста, состоящих из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающих 142 наименований, 10 приложений, 6 таблиц, 85 рисунков.
Обзор теоретических исследований процесса взаимодействия рабочего органа с почвенным пластом
При работе плуга образуется борозда шириной 750 мм и глубиной 150 мм. Производительность плуга составляет 2,5 км/ч. Агрегируется плуг с тракторами класса тяги 1,4-3,0 т.е.
Опыт использования вышеперечисленных почвообрабатывающих орудий на нераскорчеванных вырубках показал, что они имеют низкую проходимость, надежность и высокую энергоемкость. Поступательно движущиеся в почве рабочие органы, встречаясь с различными препятстствиями (пнями, крупными корнями, порубочными остатками и т.п.) испытывают большие ударные нагрузки, которые приводят к поломкам как самих рабочих органов, так и элементов их крепления. Кроме того, при работе почвообрабатывающих орудий с лемешными корпусами на вырубках происходит их заякоревание. В результате чего наблюдаются частые остановки агрегатов, подъем орудия в транспортное положение, что приводит к низкому качеству подготовки почвы, повышенному расходу горючего и значительным энергозатратам.
В настоящее время для частичной обработки почвы на нераскорчеванных вырубках наиболее перспективными являются дисковые плуги. Они обладают рядом существенных преимуществ перед другими типами почвообрабатывающих орудий. Рабочие органы дисковых плугов при движении в почве совершают сложное движение - поступательное вместе с орудием и вращательное вокруг своей оси. Это позволяет им при встрече с различными препятствиями (пни, толстые корни и т.п.) перекатываться через них, что повышает надежность и проходимость орудия. Следует также отметить, что интенсивность износа дисков ниже, чем рабочих органов лемешных плугов. После преодоления препятствия дисковые рабочие органы быстро заглубляются в почву, что сокращает длину пропусков огрехов. Кроме того дисковые рабочие органы, благодаря своему вращению, практически не залипают и не забиваются. Однако снимаемый вращающимся диском пласт почвы высоко поднимается по диску и, падая вниз, рвется на отдельные куски, хаотически разбрасываемые по почве вдоль образуемой борозды [46,47]. Для полосной обработки почвы под лесные культуры и для содействия естественному возобновлению леса на супесчаных и песчаных, свежих и слабо-задерненных нераскорчеванных вырубках с количеством пней на 1 га до 600 шт. применяется плуг двухдисковый ПД-0,7 (рисунок 1.10). Он может использоваться для локализации лесных пожаров и проведения профилактических работ путем прокладки противопожарных минерализованных полос. Плуг ПД-0,7 агрегатируется с тракторами МТЗ-80/82, МТЗ-50/52.
Рисунок 1.10- Плуг двухдисковый ПД-0,7 Состоит из А-образной цельносварной рамы 1, на которой смонтированы проушины 2 и стойка 3 для присоединения тяг навесного механизма трактора, а также кронштейны для крепления аутригеров 4 в рабочем и транспортном положениях. В середине поперечного бруса приварен продольный брус с боковыми раскосами для крепления опорного колеса 3. Рабочие органы - два сферических диска 6 установлены на кронштейнах рамы вразвал, вогнутостью вперед по ходу движения, под углом 45, с отклонением от вертикали на 20. Выгнутая часть дисков взаимодействует с установленными на раме чистиками 7. Производительность за 1 ч чистой работы 3,6...5,0 км. Глубина обработки почвы 12...24 см. Ширина минерализованной полосы 1,2 м. Рабочая скорость 3,6...5,6 км/ч. Диаметр дисков 660 мм.
На дисковом плуге ПЛД-1,2 (рисунок 1.11) впереди дисков установлены черенковый нож с тупым углом вхождения в почву, дерносним, представляющий собой двухотвальный лемешный плужок, а также рыхлительная лапа.
Для защиты дерноснима и рыхлительных лап от поломок на плуге имеется защитное приспособление. Все дисковые рабочие органы закреплены на шарнирной двухсекционной раме с пружинными амортизаторами. Шарнирное соединение секций рамы обеспечивает копирование микрорельефа всеми рабочими органами плуга [8, 45].
Рисунок 1.11 - Лесной дисковый плуг ПЛД-1,2: 1 - рама передняя; 2 — рама задняя; 3 — покровосдиратель; 4 - продольная тяга; 5 - подвеска; 6 и 7 - передние дисковые корпусы; 8 и 9 - задние дисковые корпусы; 10 - предохранительный механизм вертикального действия; 11 и 12 — предохранительный механизм горизонтального действия; 13 и 14 - винт регулирования угла атаки диска; 15 - ящик для балласта Для обработки почвы под посадку лесных культур на дренированных вырубках применяется плуг ПДВ-1,5, агрегатируемый с трактором ЛХТ-55 (рисунок 1.12). Плуг состоит из рамы 1 с кронштейнами 2 для крепления тяг трехточечной навески трактора. На раме закреплены рабочие органы, представляющие собой четыре дисковых корпуса 3, установленных попарно всвал под углом и со смещением друг относительно друга в продольной плоскости, при этом каждый диск закреплен на оси вращения 4, а каждая ось закреплена на коленчатой подпружиненной полуоси 5. Рабочие органы имеют предохранительные устройства от перегрузок, выполненные в виде регулируемых пружин сжатия 6, и защитные устройства, установленные под углом по фронту рабочих органов и выполненные в виде пластин 7. Имеется балластный ящик 8 [84, 101].
Для создания микроповышения на вырубках используют плуг ПШ-1 (рисунок 1.13). Плуг шнековый ПШ-1 состоит из рамы с навесным устройством, рабочего органа, механизма привода во вращение шнековых барабанов с предохранительными муфтами. Рабочие органы представляют собой двухотваль-ный плужный корпус 4 с укороченными отвалами, черенковый нож 2 и два шнековых барабана 1. Механизм привода служит для передачи крутящего мо
Математическая модель процесса взаимодействия комбинированного дискового рабочего органа с почвой
При случайной генерации точек на поверхностях плуга они располагаются хаотически: на некоторых участках может быть значительное скопление шаров, другие участки — наоборот - могут быть разреженными. Для того, чтобы распределить шары по поверхностям равномерным слоем применяется специальный алгоритм прореживания. На этапе случайной генерации создают заведомо большее количество точек (в 3-4 раза), затем последовательно убирают, одну за другой, точки, лежащие в самых плотных участках. При этом плотность выравнивается по поверхности. Прореживание производится отдельно для диска и отвала. В рамках данной работы генерировалось 1200 точек на сферической поверхности и 1200 на плоскости отвала. После прореживания оставляли 300 точек плуга и 200 точек отвала. При этом поверхностная плотность точек оказывается достаточной, чтобы моделируемые таким образом поверхности плуга проявляли поведение сплошного тела (ребристость была малой).
Полученная совокупность точек (х„ _у„ z,), представляющая плуг, также заносится в файл на жестком диске, и впоследствии вызываются перед началом проведения компьютерного эксперимента.
Необходимо отметить, что описанным выше способом плуг задается в системе координат, связанной с центром диска (точка О). Однако, чтобы использовать модель плуга в общей модели процесса, необходимо учесть его поступательное движение и вращение диска, для чего необходимо несколько раз произвести пересчет координат.
Во-первых, при проведении компьютерного эксперимента, на каждом шаге интегрирования учитывается вращение диска вокруг оси ОХ: где X[, yfl\ zj(1) - координаты точек вращающегося диска в системе координат, связанной с центром диска (точка О); со - угловая скорость вращения диска; t - время, отсчитываемое от начала компьютерного эксперимента. При проведении коррекции на вращение координаты точек отвала не изменяются.
Во-вторых, необходимо учесть, что плуг устанавливается под двумя пространственными углами а (угол атаки) и 3 (угол наклона) по отношению к поверхности почвы и направлению движения агрегата. Поворот плуга на угол а осуществляется в процессе следующего пересчета координат:
В процедуре поворота плуга участвуют уже как точки диска, так и точки отвала. И, наконец, необходимо пересчитать координаты плуга в системе коор динат, связанной с почвой. Для этого необходимо учесть, что плуг находится на высоте, обеспечивающей глубину обработки а, и движется вдоль оси OY с постоянной скоростью v: где sx - положение плуга по ширине почвенного канала; sy - расстояние от плуга до края почвенного канала при t = 0; sz - толщина слоя почвы (расстояние от дна модельного параллелепипеда до поверхности почвы); (3) Zmin - минимальная координата z\ среди точек плуга. Характер взаимодействия шаров плуга с шарами почвы, принимается вяз-коупругим - так же, как и при взаимодействии шаров почвы друг с другом. При этом жесткость сп взаимодействия шаров плуга и почвы имеет большее значение, чем ранее, ввиду большей жесткости материала плуга (стали), а коэффициент демпфирования ки — меньшее значение ввиду возможности лучшего скольжения почвы по стали.
Численное решение уравнений движения частиц почвы Фактически в модели производится решение уравнений движения частиц почвы (шаров). Добавив в уравнения (2.5) взаимодействие частиц с плугом, получим следующую систему: d2X. N Ы-Ш где ІУщп - количество шаров в модели плуга. Вязкоупругие силы F вуп взаимодействия шаров почвы с шарами плуга задаются, с учетом их вязкоупругого характера [5] следующим образом. FT = "„( г,)(х, -x,)lrt. + кп{г, - Ж -v,); При этом силы вычисляются только в случае Гц ( ш + dn) / 2, в противном случае шары считаются не взаимодействующими и силы F =0. Расчеты в рамках данной работы проводились для количества шаров Nm = 7000, поэтому эволюция почвы в ходе компьютерного эксперимента описывается системой из 21 000 дифференциальных уравнений вида (2.11). Уравнения (2.11) вместе с начальными условиями x\(t = 0), y [{t = 0), z\{t = 0), vxl(t = 0), vy\{t = 0), v2i(t = 0) представляют собой задачу Коши для 6Nm обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка. Для решения задачи Коши обычно используют одношаговые численные методы, в частности, в данной работе используется модифицированный метод Эйлера. При этом координаты шара вычисляются следующим образом (АО2 4-(АО2
По сравнению с базовым методом Эйлера, имеющим первый порядок погрешности, данный метод имеет третий порядок погрешности для координаты и второй для скорости, а сама вычислительная схема (2.12, 2.13) является эффективной и устойчивой [51]. Шаг интегрирования для всех расчетов принимался равным At = 0,001 с. Основной объем вычислений в процессе решения системы приходится на вычисление сил взаимодействия между шарами Fy. Всего необходимо произвести TVuf2 расчетов сил, то есть для 7 000 шаров - 49 000 000- расчетов. Однако, ввиду того что силы возникают только между соседствующими шарами, можно не анализировать все iVm2 пар, а заранее определить только п соседних шаров для каждого шара /. В этом случае, количество расчетов сил существенно сократится - до Nui п. Для быстрого определения соседних шаров используется алгоритм разбивки всего объема почвы на множество кубов путем введения кубической сетки. При этом шар из некоторого куба взаимодействует только с шарами из соседних кубов.
Для решения системы дифференциальных уравнений, положенной в основу модели и для проведения различных компьютерных экспериментов с моделью составлена компьютерная программа "SoilTrajectory" на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7.0. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 20086111948 (приложение К).
Оборудование, применяемое в экспериментальных исследованиях
Параметрическая оптимизация сложных систем в общем случае сводится к задаче отыскания экстремума функции нескольких переменных. При этом необходимо определить такие области изменения входных параметров; при которых параметры материала удовлетворяют некоторому принятому критерию; либо нескольким частным; критериям [81]. Для того, чтобы. критерий оптимизации всесторонне характеризовал изучаемую систему, его обычно; составляют в виде линейной» комбинации-! с соответствующими; весовыми коэффициентами- нескольких частных критериев оптимизации» к(, представляющих собош экономические или качественные показатели- [3]
Выданном случае в качестве частных критериев; целесообразно- использовать затрачиваемую на поступательное, движение и на вращение мощность N(a0, Д) и коэффициент оборачиваемости r(a0, fi0).
Таким образом; необходимо решить следующую задачу оптимизации: одновременно минимизировать функцию N(a0, Д ) и максимизировать функцию г(а0,/30) путем согласованного подбора факторов aQ и /?0.
В процессе оптимизации углов установки отвала использовали те же интервалы варьирования факторов, что и на этапе систематических исследований: поперечный угол а0 варьировали от 30 до 70 градусов; с шагом 10 гразусов, продольный угол /5 0 варьировали от-30 до -10: градусов с шагом: 5 градусов. При этом в каждой из 25-ти точек (ссоі, /?оі) проводили по два компьютерных эксперимента с последующим усреднением получающихся результатовJVj и г\. Далее, для сглаживания случайных ошибок полученные в табличном виде зависимости N(a0, fio) и г(а0, /30) аппроксимировали полиномиальной поверхностью второго порядка (рисунок 2.25), по которой и производили оптимизацию [12].
Важным преимуществом двухфакторной оптимизации является возможность графически изобразить поверхности отклика и провести их визуальный анализ (рисунок 2.30). Анализируя каждую из поверхностей отклика, представленную с помощью линий уровня, можно условно разделить факторное пространство на две области: благоприятную (заштрихована на рисунке 2.26), в которой частный критерий оптимизации принимает искомые минимальное или максимальное значения, и неблагоприятную. В качестве границы между благоприятной и неблагоприятной областью экспертным путем выбирается некоторая линия уровня. При этом необходимо учитывать ряд требований [14]: - благоприятная область должна содержать наиболее экстремальные (максимальные или минимальные) значения критерия; - в благоприятной области критерий, по возможности, должен быть более-менее постоянным; - благоприятная область должна занимать значительную долю факторного пространства (20 0 %).
Благоприятные области факторного пространства (заштрихованы) на поверхностях отклика, представленных линиями уровня Совместный учет конфигурации благоприятных областей в факторных пространствах N(aQ, /?0) и г(а0, /?0) позволил сделать вывод, что оптимальные значения параметров а0 и /?0 заключены в области приблизительно треугольной формы, изображенной на рисунке 2.26 в. Оптимальные диапазоны факторов составляют 53 «0 65; -20 Д -10.
Тот факт, что оптимальная область занимает значительную площадь факторного пространства, косвенно свидетельствует о малой чувствительности предлагаемой конструкции к условиям эксплуатации и поэтому гарантирует стабильную работу предлагаемой конструкции при эксплуатации.
Наиболее важными параметрами предлагаемой конструкции плуга, влияющими на эффективность обработки почвы, являются положение отвала по высоте h0 и частота вращения диска со. Поэтому целесообразно поставить еще одну задачу оптимизации: подобрать оптимальные параметры h0 и со таким образом, чтобы плуг обладал наилучшими эксплуатационными показателями N и г. Задача оптимизации состоит в одновременной минимизации функции N(h0, со) и максимизации функции r(h0, со) путем согласованного подбора факторов h0 и со.
В процессе оптимизации параметров плуга использовали следующие интервалы варьирования.факторов: h0 варьировали от —30 до —10 см с шагом 5 см, со варьировали от 2,1 до 6 с"1 с шагом 1 с"1 (рисунок 2.26) В качестве границ между благоприятной и неблагоприятной областями были выбраны: изолиния мощности N = 4 кВт, изолиния коэффициента оборачиваемости г - 0,7 (рисунок 2.27).
Совместный; учет конфигурации благоприятных областей в факторных пространствах N(hQ, со) и r(hQ, со) позволил сделать вывод, что оптимальные значения параметров h0 и со заключены в области сложной конфигурации (ри сунок 2.27). Оптимальные диапазоны факторов составляют - 22 см h0 - 13 см; 2,1с"1 ш 4,2с" . Как и в предыдущем случае, оптимальная область занимает значительную площадь факторного пространства, что свидетельствует о малой чувствительности эксплуатационных параметров к конструкции плуга в оптимальной области и гарантирует стабильную работу предлагаемой конструкции.
Определение энергетических показателей лесного дискового плуга в лабораторных условиях
При обработке почвы дисковым плугом без отвала коэффициент оборачиваемости г плавно возрастает от 0,6 до 0,85 на промежутке увеличения глубины обработки почвы а от 0,05 до 0,35 м. При оснащении дискового рабочего органа отвалом при увеличении глубины обработки почвы а от 0,05 до 0,15 коэффициент оборачиваемости пласта г увеличивается с 0,67 до 0,75, затем коэффициент снижается с 0,75 до 0,4 при увеличении глубины 0,15 до 0,35 м. Снижение коэффициента оборачиваемости пласта объясняется тем, что при сильном заглублении отвал начинает взаимодействовать с необработанной поверхность почвы. Поэтому необходимо при измененеии глубины обработки регулировать высоту установки отвала.
При сравнении результатов эксперимента с результатами математического моделирования видно, что они хорошо согласуются: максимальное отклонение составляет не более 8% абсолютной величины.
Зависимости коэффициента оборачиваемости пласта от скорости движения агрегата представлены на рисунке 4.8.
При увеличении скорости движении оснащенного отвалом дискового плуга от 0,25 до 2 м/с качество оборота пласта постепенно снижается от 0,92 до 0,67. При увеличении скорости движении дискового плуга без отвала кривая имеет несколько иной вид, на промежутке скорости от 0,25 до 1,5 коэффициент оборачиваемости г снижается от 0,8 до 0,53, затем возрастает от 0,53 до 0,6 на промежутке скорости от 1,5 до 1,75 м/с.
При сравнении результатов эксперимента с результатами математического моделирования видно, что они хорошо согласуются: максимальное отклонение составляет не более 9% абсолютной величины.
Зависимости поперечного смещения пласта от скорости движения агрегата представлены на рисунке 4.9. При увеличении скорости движения агрегата v от 0,25 до 1,75 м/с (комбинированный рабочий орган оснащен отвалом) поперечное смещение пласта увеличивается плавно от 0,38 до 0,5 м. При движении дискового плуга без отвала на промежутке скорости от 0,25 до 1,75 м/с поперечное смещение пласта плавно возрастает от 0,39 до 0,47 м. Стоит отметить, что наличие отвала практически не влияет на поперечное смещение пласта.
Теоретические {а) и экспериментальные (б) зависимости поперечного смещения пласта d от скорости движения агрегата v
При сравнении результатов эксперимента с результатами математического моделирования видно, что они хорошо согласуются: максимальное отклонение составляет не более 6% абсолютной величины.
В процессе обработки почвы на качество оборота пласта влияют параметры установки отвала. На рисунке 4.10 представлены зависимости коэффициента оборачиваемости пласта г от угла установки отвала в поперечной плоскости а0.
При изменении поперечного угла установки а0 от 20...60 коэффициент оборачиваемости г стремительно растет от 0,05...0,83. Это происходит лишь по той причине, что дисковый плуг при такой компоновке отвала не задевает гребень борозды, не разбрасывает почву, а почвенный пласт при наползании на отвал скользит по гладкой винтовой поверхности отвала и ровно укладывается вдоль образуемой борозды. Затем на промежутке от 60...70 коэффициент оборачиваемости пласта г падает с 0,83...0,75. Это обусловлено тем, что отвал находится на значительном удалении от дискового рабочего органа. При а0 = 60 коэффициент оборачиваемости пласта г достигает пикового значения в 0,83, что является оптимальным поперечным углом установки отвала.
При сравнении результатов эксперимента с результатами математического моделирования видно, что они хорошо согласуются: максимальное отклонение составляет не более 6% абсолютной величины.
Зависимость поперечного смещения пласта d от поперечного угла а0 установки отвала представлена на рисунке 4.11.
Из рисунка 4.11 видно, что кривая имеет наивысшие показатели поперечного смещения пласта d на промежутке а0 от 40 до 60. На промежутке от 20...50 график возрастает от 0,27 до 0,42 м, затем кривая на промежутке от 50...70 плавно падает с 0,42 до 0,38 м.
Теоретические (а) и экспериментальные (б) зависимости поперечного смещения пласта d от поперечного угла установки отвала а0
При сравнении результатов эксперимента с результатами математического моделирования видно, что они хорошо согласуются: максимальное отклонение составляет не более 10% абсолютной величины.
На рисунке 4.12 представлена зависимость коэффициента оборачиваемости пласта г от продольного угла установки отвала /?0, которая возрастает на промежутке ро от -30 до -20 с 0,75 до 0,82, потом зависимость плавно падает от 0,82 до 0,78 на промежутке Д, от -20 до -10.
Теоретические (а) и экспериментальные (б) зависимости коэффициента оборачиваемости г от продольного угла установки отвала (30 Таким образом, зависимость коэффициента оборачиваемости г от продольного угла установки отвала (30, имеет пиковое значение г = 0,82, при (30= - 20. При сравнении результатов эксперимента с результатами математического моделирования видно, что они хорошо согласуются: максимальное отклонение составляет не более 5% абсолютной величины.
