Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований 10
1.1 Технология создания минерализованных полос в условиях лесного массива 10
1.2 Анализ рабочих процессов технических средств для создания минерализованных полос 12
1.3 Выводы 27
1.4 Цель и задачи исследований 28
2 Теоретические исследования процесса взаимодействия рабочих органов грунтомета с рабочей средой 29
2.1 Разработка конструктивно-технологической схемы грунтомета с
комбинированными рабочими органами 29
2.2 Математическая модель грунтомета с комбинированными рабочими органами 30
2.3 Создание в программной среде Delphi имитационной модели работы лесного грунтомета 48
2.4 Обоснование параметров грунтомета с комбинированными рабочими органами 50
3 Программа и методика экспериментальных исследований 70
3.1 Методика и стратегия экспериментального исследования 71
3.2 Порядок проведения работы 72
4 Результаты полевых исследований 77
4.1 Проведение полевых исследований 77
4.2 Результаты экспериментального исследования 83
4.3 Экспериментальная оптимизация параметров ротора грунтомета. 87
5 Определение технико-экономической эффективности экспериментального образца 96
5.1 Оценка работоспособности экспериментального образца грунтомета с комбинированными рабочими органами 96
5.2 Технико-экономическая эффективность лесного грунтомета 98
Общие выводы и рекомендации 108
Библиографический список
- Анализ рабочих процессов технических средств для создания минерализованных полос
- Математическая модель грунтомета с комбинированными рабочими органами
- Проведение полевых исследований
- Технико-экономическая эффективность лесного грунтомета
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время в лесном хозяйстве, согласно Лесному кодексу РФ, проводится работа по лесовосстановлению на землях, не покрытых лесом, а также вырубках, гарях. Одной из самых важных проблем является проведение профилактических работ по прокладке и подновлению противопожарных минерализованных полос. В настоящее время для этих работ используются лесные плуги ПКЛ-70, ПЛ-1, ПКЛН-500А, ПЛО-400, покровосдиратели ПДН-1, лесные фрезы и фрезерные полосопрокладыватели ПФ-1, грунтометы ГТ-3 и др. Лесные плуги и канавокопатели создают узкую минерализованную полосу (1...2 м), которая не всегда эффективна, а фрезерные полосопрокладыватели и грунтометы энергоемки и малопроизводительны, т.к. фрезеруют задернелую почву и агрегатируются с тракторами с ходоуменьшителем.
Анализ существующих серийных агрегатов для создания минерализованных полос показывает, что существующие машины не полностью отвечают требованиям по созданию защитной полосы.
Для создания качественных минерализованных полос целесообразно использовать машины с комбинированными рабочими органами, совмещающие процесс предварительной обработки почвы сферическими дисками и дальнейшее её метание в заданном направлении фрезерными рабочими органами.
Известные теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов почвообрабатывающих машин, применяемых для прокладки минерализованных полос, недостаточно адекватно описывают их взаимодействие с почвой при совместной работе пассивных и активных рабочих органов, что не дает проводить разработку на теоретическом и практическом уровнях новой техники для создания минерализованных полос.
Таким образом, обоснование параметров рабочих органов комбинированного грунтомета для выполнения профилактических противопожарных работ в лесном хозяйстве является актуальным. Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой 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) и в рамках направления ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», темы «Разработка технологии и комбинированной машины для предупреждения и ликвидации лесных пожаров».
Степень разработанности проблемы. Над вопросами изучения рабочих процессов почвообрабатывающих машин и орудий, применяемых при прокладке противопожарных минерализованных полос, работали такие ученые, как: И.М. Зима, Т.Т. Малюгин, А.И. Баранов, Г.А. Ларюхин, И.М. Бартенев, Ю.А. Добрынин,
Ю.М. Жданов, В.В. Чернышов, А.Н. Чукичев, Н.П. Курбатский, П.М. Кодляков, Н.П. Валадайский, В.И. Посметьев, Л.Т. Свиридов, В.И. Казаков, М.В. Драпалюк, П.И Попиков, П.Э. Гончаров, С.В. Дорохин и др. Анализ этих работ показывает, что широкое применение получил метод создания минерализованных полос с помощью орудий с пассивными и активными рабочими органами.
Разработка и создание грунтомета с комбинированным рабочим органом требует более глубоких теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия дисковых и фрезерных рабочих органов с почвой при прокладке минерализованных полос с предварительной подготовкой почвы.
Цель и задачи исследования. Повышение эффективности и качества создания минерализованных полос путем обоснования параметров и режимов работы грунтомета с комбинированными рабочими органами.
Согласно поставленной цели работы были определены следующие задачи:
1) обосновать новую конструктивно-технологическую схему грунтомета с комбинированными рабочими органами;
2) разработать математическую модель грунтомета с комбинированными рабочими органами, включающими сферические диски и фрезерные головки;
3) обосновать основные конструктивные и технологические параметры комбинированных рабочих органов грунтомета;
4) провести экспериментальные исследования грунтомета с комбинированными рабочими органами, разработать рекомендации по внедрению в производство, а также оценить экономический эффект.
Объект исследования. Объектом исследования являются конструкция и параметры грунтомета с комбинированными рабочими органами.
Предмет исследования. Предметом исследования является взаимное расположение дисковых и фрезерных рабочих органов, взаимодействие фрезы с грунтом с учетом предварительной обработки почвы.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретические исследования производились на основе моделирования взаимодействия рабочих органов с почвой в процессе работы грунтомета. При решении математических зависимостей использовался метод конечных элементов. Лабораторные исследования производились с использованием теории планирования. Результаты эксперимента обрабатывались при помощи программы MathCad 14.
Научные положения, выносимые на защиту:
1) разработанная математическая модель взаимодействия рабочих органов с почвой, позволяющая получить оптимальные параметры предлагаемой машины;
2) оптимальные параметры комбинированных рабочих органов, позволяющие усовершенствовать конструкцию грунтомета;
3) закономерности взаимодействия фрезы с почвой с учетом предварительной обработки почвы дисковыми рабочими органами, позволяющие оценить энергоемкость процесса и качественные показатели при различных геометрических и кинематических параметрах;
4) рекомендации по созданию грунтомета с комбинированными рабочими органами, позволяющие повысить качество и эффективность прокладываемых минерализованных полос.
Научная новизна работы:
1) Впервые разработана математическая модель, описывающая процесс взаимодействия рабочих органов с почвой, отличающаяся учетом влияния параметров установки дисковых рабочих органов и частоты вращения фрезерных головок на эффективность и энергоемкость процесса прокладки противопожарных минерализованных полос. Программа решения математической модели для ЭВМ подтверждена свидетельством №2013612484.
2) Обоснованы конструктивные и технологические параметры дисковых и ротационных органов грунтомета, отличающиеся оптимальными значениями, полученными по качественным показателям энергоемкости процесса прокладки минерализованных полос.
3) Выявлены закономерности взаимодействия фрезы с почвой, отличающиеся учетом предварительной обработки почвы (грунта) сферическими дисками при различных конструктивных и технологических параметрах.
4) Установлен принцип компоновки грунтомета с комбинированными рабочими органами, отличающийся учетом совместного взаимодействия с почвой сферических дисков и фрезерных головок в процессе прокладки минерализованных полос.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая часть работы заключается в разработке математических зависимостей и установлении влияния технологических и конструктивных параметров рабочих органов на процесс метания грунта на заданное расстояние и в заданном объеме при прокладке минерализованных полос.
Практическая значимость работы состоит в разработке новой конструкции лесного грунтомета и рекомендаций по выбору параметров рабочих органов. Результаты используются в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации», Федеральном бюджетном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства», в учебно-опытном лесхозе Воронежской государственной лесотехнической академии и в учебном процессе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия» при подготовке бакалавров и магистров, а также в ФГБОУ «ПТЦ ФПС по Воронежской области».
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Полученные научные результаты соответствуют пункту 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин» паспорта специальности 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.
Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Актуальные направления сельского хозяйства и лесного комплекса» (Украина, г. Винница, 2013 г.), Международной научно-практической конференции «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика» (г. Воронеж, 2013 г.), » (г. Воронеж, 2014 г.).
Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 15 научных работах, в том числе 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 публикации без соавторов, 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 1 свидетельство о государственной регистрации базы данных.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 142 страницы машинописного текста, включающего 127 страниц основного текста, 4 таблицы, 55 рисунков.
Анализ рабочих процессов технических средств для создания минерализованных полос
Для того чтобы защитить лесные массивы от пожаров, их разделяют на блоки, в качестве разделительной полосы, препятствующей распространению огня, создаются защитные минерализованные полосы, которые дают время и возможность для дальнейшей локализации очага внутри одного блока, а не во всем массиве.
Указанные полосы следует создавать в лесном массиве вокруг участков, содержащих лесные культуры, постройки, ценные хвойные породы и лиственные насаждения.
Кроме того, согласно Правилам пожарной безопасности в лесных массивах Российской Федерации, минерализованные полосы создаются на сезон пожарной активности на лесосеках оставленными с лесопродукцией или порубочными остатками и вокруг лесосек, и вдоль лесовозных дорог, железнодорожных дорог, на сельскохозяйственных площадях, граничащих с лесом (в период сжигания остатков соломы и стерни), вокруг складов, содержащих лесоматериалы, пиломатериалы, живицы, и вокруг других пожароопасных объектов [7].
В местах, где существуют возможность для появления и дальнейшего развития почвенно-торфяных пожаров (вейниковые, разнотравные, осоковые и травяно-болотные типы леса), минерализованные полосы создают с помощью тракторов почвообрабатывающих орудий, бульдозеров, а при необходимости создания широких минерализованных полос – выжигая напочвенный покров между двумя полосами. Если почвенный покров и хозяйственная целесообразность позволяют, то защитные минерализованные полосы создают также посевом с огнестойкими растениями (картофелем, люпином и др.). Способы и ширину их создания определяют с учетом возможной интенсивности и характера распространения пожара, лесорастительных и почвенных условий, наличия необходимых машин и орудий.
В зависимости от предназначения создаваемой минерализованной полосы ее ширина может изменяться от 0,4 до 1,4 м, а в хвойных лесных массивах на сухих почвах 2-мя минерализованными полосами, которые создаются на расстоянии 5…10 метров одна от другой, а в условиях лесостепи от 10 до 15 м. Прокладывать минерализованную полосу на торфяных почвах не рекомендуется, т. к. взрыхленный слой торфа усиливает горение. В планах противопожарного устройства лесов создание минерализованной полосы предусматривается в профилактических целях – для ограничения распространения и создания условий тушения возможных лесных пожаров [14, 19, 39].
Минерализованные полосы создаются также и для защиты ценных пород древесины от перехода на них почвенных или подземных пожаров с соседних участков, опасных в пожарном состоянии.
Согласно «Лесному кодексу» (статья 53 Пожарная безопасность в лесах), минерализованная полоса представляет собой полосу поверхности земли определенной ширины, очищенную от лесных горючих материалов или обработанную почвообрабатывающими орудиями либо иным способом до сплошного минерального слоя почвы [56]. Почву, используемую в повседневной хозяйственной деятельности человека, в том числе и для предупреждения и тушения лесных пожаров, принято называть грунтом.
Минерализованная полоса, создаваемая плугами различных характеристик, представлена на рисунке 1.1. Ширина такой минерализованной полосы заранее предопределена размерами самого орудия, и, чтобы увеличить ширину полосы, требуется увеличить ширину самого плуга, что в условиях леса неприемлемо. В1 - ширина отсыпаемой полосы; В - ширина минерализованной полосы;
Анализ рабочих процессов технических средств для создания минерализованных полос В настоящее время в лесном хозяйстве применяются в основном почвообрабатывающие орудия с пассивными рабочими органами для прокладки минерализованных полос, противопожарных дорог, канав и разрывов. Исследованиями рабочих процессов почвообрабатывающих машин занимались такие ученые, как: И.М. Зима, Т.Т. Малюгин, Г.Н. Синеоков, Ю.А. Добрынин, Г.А. Ларюхин, В.В. Чернышов, А.И. Баранов, И.М. Бартенев, В.И. Посметьев, В.И. Казаков, Ф.В. Пошарников, П.И. Попиков, М.В, Драпалюк, П.И Попиков, П.Э. Гончаров, В.В. Василенко и др. Исследования касались формы отвалов, тягового сопротивления, кинематики движения.
Плуг комбинированный лесной ПКЛ-70 используется для обработки почвы бороздами на нераскорчванных вырубках, для того чтобы можно было осуществить посадку или посев лесных культур, а также для прокладки противопожарных полос, с целью исключения распространения огня во время лесных пожаров [40, 41, 43, 44].
Основное преимущество плуга ПКЛ-70 (рисунок 1.3) в отличие от обыкновенных сельскохозяйственных – более прочная конструкция, рассчитанная на преодоление препятствий в виде пней и корней. Применяются, большей частью, не для сплошной вспашки почвы, а лишь для организации на ее поверхности отдельных борозд и минерализованных полос [47, 51, 52, 57, 71].
Агрегатируются с тракторами ЛХТ55, ТДТ 55А, а в более легких условиях (на песчаных и супесчаных почвах) – с тракторами ДТ 75М, МТЗ 82. Ширина противопожарной минерализованной полосы 1,2 м.
Математическая модель грунтомета с комбинированными рабочими органами
Вращение элементов вокруг их центров в модели не учитывается, так как элементы образуют более крупные фрагменты (комья, пласты), способные вращаться за счет движения элементов друг относительно друга. В ходе компьютерного эксперимента движение элементов ограничено прямоугольным параллелепипедом с размерами LxxLYxLz (рисунок 2.5). В начале компьютерного эксперимента элементы располагаются в нижней части параллелепипеда в несколько слоев, образуя случайную плотную упаковку. Для этого в начале компьютерного эксперимента производится осаждение под действием сил тяжести, случайно появившихся в объеме параллелепипеда элементов и их встряски. Движущаяся вдоль направления OY машина, взаимодействуя дисками и роторами с элементами грунта, удаляет их из слоя грунта и заставляет двигаться по баллистической траектории. При этом за машиной образуются характерная борозда, близкая к реальной по своей конфигурации.
Одна из стенок ограничивающего пространство параллелепипеда является открытой, чтобы выбрасываемый грунт имел возможность двигаться по сообщаемой траектории. Рисунок 2.5 - Параллелепипед LxxLYxLz, в котором движутся элементы грунта
Если же остальные элементы грунта касаются остальных стенок, то есть выполняется одно из условий: Xj 0,у{ 0,уг ЬУл 0,Zi Lz, в этом случае элемент возвращается в параллелепипед зеркальным отражением от соответствующей стенки. Так, например, при выполнении условия yt Ly координате у І элемента присваивается значение у І = Ly - (у І - Ly), при этом производится изменение знака скорости элемента в направлении OY: vyi = - vyi. Отражение элемента от стенки сопровождается в модели незначительным гашением его скорости (имитация силы трения).
Диаметр элементов йэ влияет на адекватность модели грунта. Для более точного представления грунта йэ должен быть как можно меньше. Однако количество элементов Лэ, представляющих заданный объем грунта Vr, резко увеличивается с уменьшением d3 (приблизительно по кубическому закону). Увеличение же количества элементов влечет увеличение количества уравнений, описывающих грунт, и, соответственно, увеличение времени расчета на ЭВМ. Поэтому уменьшение диаметра элемента всего вдвое приводит к увеличению длительности расчета более чем в 8 раз. Учитывая вычисли тельные возможности современных персональных ЭВМ (2013 г.), оптимальный диаметр элементов составляет порядка 7 см. Такой диаметр позволяет с достаточной точностью описать грунт, но не приводит к чрезмерно длительным компьютерным расчетам. Общее же количество элементов грунта в модели составляет 4000–7000 в зависимости от необходимой глубины слоя почвы.
Процедура предварительной подготовки плотноупакованного объема грунта производится следующим образом. Сначала заданное количество элементов грунта случайным образом распределяется внутри модельного параллелепипеда. После этого интегрируются уравнения движения грунта (8) в течение определенного промежутка времени (15 с). Под действием сил тяжести элементы постепенно оседают и формируют в нижней части параллелепипеда слой грунта. Чтобы создать более плотную упаковку, в интервал времени от 5 до 10 с имитируется встряска грунта: сообщаются незначительные случайные смещения координатам (xi, yi, zi) всех элементов грунта. По мере подготовки грунта скорости элементов постепенно гасятся, чтобы к концу данной процедуры элементы были неподвижными. При дальнейшем контакте с грунтометом элементы приобретают скорости при взаимодействии с дисками и роторами грунтомета.
В конце процедуры подготовки грунта производится связывание элементов. Информация о «связности» хранится в двумерном массиве K(i, j). Каждая ячейка (i, j) либо принимает значение «истинно», если элементы i и j контактируют, то есть, rij dЭ + dМ, (2.9) либо значение «ложно» в противном случае. В течение компьютерного эксперимента регулярно проводится проверка: для каждой связанной пары i–j проверяется, не разделилась ли она. Проверка производится по тому же условию (2.9). В случае невыполнения (2.9) соответствующей ячейке массива K(i, j) присваивается значение «ложно». При моделировании рассыпчатого, в частности, песчаного грунта все элементы считаются несвязанными. В модели необходимо точно воссоздать сложную геометрическую форму рабочих поверхностей, а также взаимодействие поверхностей с элементами грунта. Обычно поверхности сложной формы в рамках подхода конечных элементов заменяют большим количеством плоских фигур [58, 60, 65]. Из фундаментальных геометрических соображений в качестве элементарной фигуры обычно используют треугольник. Треугольники легко стыкуются в пространстве между собой, а их совокупность позволяет воспроизводить поверхность сложной формы. Поэтому в рамках предложенной модели рабочие поверхности грунтомета представлены в виде совокупности элементарных треугольников. Так как в данной работе необходимо оптимизировать форму и геометрическое расположение поверхностей, то представление поверхностей в виде совокупности треугольников очень удобно тем, что можно легко изменить, например, размер ротора, изменяя координаты лишь нескольких вершин треугольников [46, 81, 82].
Чтобы задать треугольник в трехмерном пространстве, необходимо указать координаты его вершин Ti1(xi1, yi1, zi1), Ti2(xi2, yi2, zi2), Ti3(xi3, yi3, zi3). Здесь T – вершина треугольника; i – порядковый номер треугольника; индексы (1, 2 или 3) указывают номер вершины i-го треугольника. При составлении сложных поверхностей треугольники необходимо стыковать друг с другом по какому-либо ребру, при этом совпадают по две вершины для соседних треугольников. Так как поверхности не являются замкнутыми, после стыковки всех треугольников остаются свободные ребра, которые выступают, например, в качестве режущих кромок роторов и дисков [90, 94].
Проведение полевых исследований
С математической точки зрения решение данной задачи (поиск тройного оптимума в шестифакторном пространстве с тремя условиями постоянства) является весьма сложным. Поэтому на первом этапе теоретического исследования изучим влияние отдельных факторов. При этом будем изменять по одному входному параметру, зафиксировав остальные параметры на базовых (наиболее естественных) значениях. В качестве базовых выбраны следующие значения параметров: со = 8 об/с; аР = 15 см; Вл = 15 см; а = 20О; ад = 15 см; v = 1,5 м/с; ктр = 6 Нс/м.
Характер движения грунта в модели лесного грунтомета оказался в высокой степени реалистичным и правдоподобным (рисунок 2.10). Показан выброс грунта только на правую сторону по отношению к машине. Основная доля летящего грунта (около 70 %) оседает в полосе 1,5-3,0 м от границы машины. Однако часть грунта получает высокую начальную скорость и такой угол выброса, что достигает расстояния 20-40 м. Таким образом, машина одновременно выполняет две функции: формирует минерализованную полосу шириной около 6 м вдоль линии движения машины, а также посылает
Влияние частоты вращения ротора. Частота вращения ротора машины является основной характеристикой, определяющей скорость выброса грунта и, соответственно, дальность выброса и затраты мощности. С целью изучения влияния частоты вращения ротора на показатели эффективности ма шины провели серию экспериментов на компьютере, в которых изменяли от 1 до 10 об/с с шагом 1 об/с.
Для того чтобы машина обеспечивала максимальную дальность выброса 30 м, расчетная частота вращения ротора должна составлять 8-10 об/с. При таких частотах производительность машины достаточно велика и составляет 40-50 кг/с (рисунок 2.15, а). Средняя дальность выброса растет с увеличением вплоть до значения 8,5 об/с (рисунок 2.15, б), после чего несколько падает, так как при большой частоте вращения грунт стремится сойти с лопаток ротора под малым углом к горизонту, в результате чего начинает взаимодействовать с верхним слоем грунта и эффективность выброса грунта падает. Потребляемая машиной мощность увеличивается с увеличением частоты приблизительно пропорционально второй степени (рисунок 2.15, в).
Анализируя в совокупности зависимости на рисунке 2.15, можно сделать вывод, что оптимальной является частота вращения ротора око ло 8 об/с (480 об/мин). При такой частоте высока производительность машины (47 кг/с), высока средняя дальность выброса грунта (12 м), а потребляемая мощность одной фрезы не превышает 10 кВт.
Анализ характера движения грунта (рисунок 2.16) и характера распределения грунта по поверхности (рисунок 2.17) также свидетельствует, что частота вращения около 8 об/с является оптимальной. При малой частоте вращения (5 об/с) грунт получает незначительную начальную скорость и оседает в пределах нескольких метров от самой машины. Поэтому, если задачей использования машины является только создание минерализованной полосы, частота вращения ротора должна составлять около 5 об/с. Хорошее качество распределения грунта в минерализованной полосе иллюстрируется рисунком 2.17. При слишком высокой же частоте вращения (10 об/с) большая часть грунта оказывается вовлечена в сложное движение вблизи ротора, в результате чего наблюдается необоснованная потеря мощности. Некоторые фрагменты грунта при этом все же получают высокую начальную скорость и преодолевают расстояние от машины от 30 до 70 м. Однако массовая доля таких фрагментов мала (порядка 5 % от всего выбрасываемого грунта). e G-.
Плотность распределения грунта вдоль направления выброса В случае же оптимальной частоты вращения (8 об/с), на рисунке 2.16 видно, что помимо потока грунта, оседающего вблизи от машины, формируется поток грунта под углом 30–50О к горизонту. Судя по характеру распределения на рисунке 2.17, этот поток грунта выбрасывается на расстояние 25– 50 м от машины. Массовая доля грунта в этом потоке составляет около 30–40 % от всего выбрасываемого грунта.
Величина заглубления ротора aР существенно влияет на производительность, угол выброса грунта, потребляемую мощность. С целью изучения влияния aР на показатели эффективности машины проведена серия из 10 компьютерных экспериментов, в которой изменяли aР от 7 до 25 см с шагом 2 см.
Производительность машины и, соответственно, потребляемая мощность практически линейно возрастают с увеличением aР (рисунок 2.18, а, в). Так, в частности, можно вдвое повысить производительность по сравнению с базовой (с 47 до 100 кг/с), увеличив заглубление ротора до 22 см, при этом потребляемая мощность возрастает с 10 до 18 кВт. Однако с увеличением заглубления ротора снижается дальность выброса грунта Lср (рисунок 2,18, б), так как увеличивается угол выброса грунта (от 40–50О при aР = 15 см до 70– 80О при aР = 25 см), и грунт посылается преимущественно в вертикальном, а не в горизонтальном направлении (рисунок 2.19).
Таким образом, анализируя в совокупности зависимости на рисунке 2.18, можно рекомендовать величину заглубления ротора около 15 см. При этом производительность (около 50 кг/с) и средняя дальность выброса (около 13 м), но в то же время потребляемая мощность (около 10 кВт). В процессе работы машины возможны случайные отклонения aР примерно на 5 см в сторону заглубления или выглубления. При этом, судя по зависимостям на рисунке 2.18, машина остается работоспособной, и лишь происходят отклонения от базовых значений: производительность примерно на 50 %, дальность выброса примерно на 40 %, потребляемая мощность примерно на 50 %.
Ширина лопатки ротора BЛ определяет производительность машины и кинематические условия выброса грунта. В данной серии компьютерных экспериментов варьировали BЛ на уровнях 3, 6, 9, 12, 15, 20, 25, 30 см. Судя по зависимостям на рисунке 2.20, при ширине лопатки менее 10 см лопатка не успевает вырезать и эффективно послать всю порцию набегающего потока грунта. Однако начиная с Вл = 10 см, показатели эффективности практически не меняются. Поэтому в качестве оптимального значения ширины лопатки можно рекомендовать, с некоторым запасом, Вл = 15 см. Необходимо отметить, что зависимости на рисунке 2.20 построены для скорости поступательного движения машины ум = 1,5 м/с. Если же необходимо повысить рабочую скорость машины VM, это можно сделать за счет дальнейшего увеличения ширины лопатки или частоты вращения ротора.
Угол атаки дисков определяет объем, форму и местоположение потоков грунта, которые диски готовят для ротора грунтомета. Проведена серия из шести экспериментов, в которой меняли от 10 до 35О с шагом 5О. Анализ зависимостей Р(а), Lcp(a), N(a) позволяет сделать вывод, что наиболее благоприятный диапазон углов установки дисков составляет 20-25О (рисунок 2.21). В данном диапазоне углов высока производительность (около 50 кг/с), велика средняя дальность выброса (около 12 м), а потребляемая мощность не превышает 10 кВт. При углах установки диска менее 20О сферическая полость диска практически не собирает дополнительный объем грунта, при углах же установки диска более 25О поток грунта, подготовленный диском, направляется слишком близко к центральной линии машины, попадая на внутреннюю часть ротора по отношению к оси, поэтому такой поток грунта выбрасывается ротором с меньшей эффективностью.
Технико-экономическая эффективность лесного грунтомета
Основные результаты и выводы
Частота вращения ротора машины должна составлять около 8 об/с (480 об/мин). При такой частоте высока производительность машины (47 кг/с), высока средняя дальность выброса грунта (12 м), а потребляемая мощность не превышает 10 кВт.
Машина обеспечивает двухпотоковую подачу грунта: около 70 % грунта оседает в полосе шириной 6 м вдоль линии движения машины; оставшиеся 30 % грунта машина посылает на расстояние 20 50 м, что может быть использовано для сбивания пламени. Оптимальная частота для наилучшего разделения потоков грунта составляет около 8 об/с.
Оптимальная величина заглубления ротора составляет около 15 см. При этом достаточно велика производительность (около 50 кг/с) и средняя дальность выброса (около 13 м), но в то же время достаточно мала потребляемая мощность (около 10 кВт). Возможные в процессе работы машины случайные заглубления и выглубления ротора в пределах 5 см не приводят к потере работоспособности машины и лишь приводят к отклонению показателей эффективности от базовых значений.
Ширина лопатки ротора должна быть не менее 15 см. При такой ширине лопатка успевает вырезать и эффективно послать всю порцию набегающего потока грунта. При этом рабочая скорость машины не должна превышать 2,5 м/с, а частота вращения ротора 10 об/с.
Оптимальный диапазон углов атаки дисков составляет 20 25О. При меньших углах атаки диски неэффективно собирают грунт, а при больших – поток грунта направляется к ротору в неблагоприятном для выброса направлении.
При оснащении машины дисками предварительного рыхления грунта существенно увеличивается дальность выброса грунта (на 70 %), при этом производительность машины увеличивается на 17 %, а потребляемая мощ ность на 43 %. Оптимальная величина заглубления дисков должна лежать в диапазоне 15 20 см.
Производительностью машины можно управлять в широких пределах (от 30 до 90 кг/с), изменяя скорость движения машины (соответственно от 1,0 до 3,5 м/с). При этом соответственно изменяется потребляемая машиной мощность, а средняя дальность выброса составляет более 10 м. Скорость движения машины более 3,5 м/с нецелесообразна, так как приводит к резкому росту потребляемой мощности (более 30 кВт). С увеличением скорости движения поток грунта, направляемый на дальние расстояния, становится более выраженным и менее диспергированным по скоростям и углам выброса.
Машина является работоспособной на грунтах всех возможных типов (в широком диапазоне механических свойств грунта). На грунтах с малым коэффициентом трения (сухие песчаные грунты) производительность машины и потребляемая ею мощность невелики (около 20 кг/с, около 5 кВт), однако велика средняя дальность выброса (около 20 м) и велика доля грунта, выбрасываемого на дальние расстояния. На грунтах же с большим коэффициентом трения (влажные глинистые и черноземные почвы) производительность машины и потребляемая ею мощность велики (около 70 кг/с, около 12 кВт), однако средняя дальность выброса невелика (около 7 м), при этом машина формирует как качественную защитную полосу вдоль линии движения машины, так и качественный поток грунта на расстояние 10 30 м.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований хорошо согласуются, поэтому приведенные ранее рекомендации по выбору параметров, полученные на основе исследования модели, остаются правомерными.
Для повышения эффективности машины целесообразно изгибать край лопатки ротора: ориентировочно 1/3 длины лопатки на 15О в направле нии вращения ротора. При этом лопатка не просто сгребает грунт, а произво дит его подрезание, накапливает больший объем грунта на плоскости лопат ки до момента выброса грунта, выбрасывает грунт под большим углом к горизонту при малом заглублении ротора (без изгиба лопатки грунт выбрасывается под углом 30О, с изгибом лопатки – под углом 45О, обеспечивающим наибольшую дальность полета фрагментов грунта).
Эффективность машины повышается также, если плоскость каждой лопатки ротора расположена не параллельно оси ротора, а под некоторым углом к ней (ориентировочно под 15О в направлении вращения ротора). При этом улучшается подрезание грунта, грунт отводится от зоны резания, не создавая дополнительное давление в зоне резания. Кроме того, грунт более равномерно распределяется по плоскости лопатки, и в момент выброса обеспечивается большая кучность выброса. Технологический процесс работы грунтомета с комбинированными рабочими органами происходит следующим образом: агрегат навешивается на заднюю гидравлическую навесную систему трактора. Лесной грунтомет, приводимый в действие валом отбора мощности трактора, производит выбрасывание грунта из борозды в одну или другую сторону, выбрасывая его на расстояние до 30 м. Таким образом, с одновременным осуществлением процесса забрасывания огня грунтом, происходит образование минерализованной защитной полосы шириной до 10 м.
Грунтомет с комбинированными рабочими органами может работать в различных категориях лесных площадей (насаждения, вырубки, гари и т.д.), на песчаных, супесчаных почвах без каменистых включений с толщиной подстилки не более 6 см и выполнять весь комплекс операций по созданию минерализованных полос, при наличии в грунте отдельных включений в виде пней, валежа и др. Кроме того, грунтомет обеспечивает работу в молодняках 1-го класса возраста.
