Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 12
1.1 Анализ технологии подготовки посадочных мест 12
1.2 Анализ параметров и режимов работы машин и орудий для подготовки посадочных мест 19
1.3 Выводы. Цели и задачи исследований 38
2 Теоретическое исследование универсального почвообрабатывающего орудия 41
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы универсального почвообрабатывающего орудия 41
2.2 Методика взаимодействия рабочих органов УПО с почвой
2.2.1 Представление почвы в модели 44
2.2.2 Представление универсального почвообрабатывающего орудия в модели 50
2.2.3 Взаимодействие рабочих поверхностей УПО с почвой 51
2.2.4 Программная реализация модели 58
2.2.5 Первичная оценка адекватности модели 61
2.2.6 Входные параметры и выходные характеристики математической модели 65
2.2.7 Определение параметров модели по справочным и экспериментальным данным 68
2.3 Оптимизация углов установки дисковых рабочих органов УПО 69
2.3.1 Особенности решения задачи оптимизации 69
2.3.2 Оптимизационная серия компьютерных экспериментов 70
2.3.3 Получение регрессионных зависимостей 76
2.3.4 Определение оптимальных углов установки дисков УПО 77
2.4 Зависимости показателей эффективности работы УПО от его конструктивных, технологических параметров и условий эксплуатации 81
2.4.1 Угол схождения дисков 81
2.4.2 Частота вращения ротора 84
2.4.3 Длина поводка 88
2.4.4 Влияние параметров почвы 91
2.5 Основные выводы по разделу 2 94
3 Методика экспериментального исследования 96
3.1 Объект экспериментального исследования 96
3.2 Условия и порядок проведения полевого эксперимента 99
3.3 Планирование многофакторного эксперимента 103
3.4 Способы задания входных параметров эксперимента 105
3.5 Определение показателей эффективности 106
3.5.1 Поперечный и окружный профили микроповышения (микропонижения) 106
3.5.2 Высота конуса микроповышения и глубина конуса микропонижения 108
3.5.3 Неоднородность поверхности микроповышения (микропонижения) в окружном направлении 108
3.5.4 Потребляемая мощность 109
4 Результаты экспериментального исследования 111
4.1 Результаты базового эксперимента 111
4.2 Зависимости показателей эффективности работы УПО от его варьируемых параметров 1 4.2.1 Частота вращения ротора 112
4.2.2 Угол схождения дисков 113
4.2.3 Количество проходов рабочего органа по одному месту в течение рабочего цикла 116
4.2.4 Расстояние от центра ротора до дисков 118
4.3 Многофакторный эксперимент 120
4.4 Основные выводы по разделу 4 123
5 Результаты полевых испытаний экспериментального образца 125
5.1 Основные параметры конструкции универсального почвообрабатывающего орудия 125
5.2 Условия проведения полевых испытаний 127
5.3 Результаты полевых испытаний исследуемых машин для подготовки дискретных посадочных мест 128
5.4 Экономическая эффективность применения разработанного универсального почвообрабатывающего орудия 130
Общие выводы и рекомендации 138
Библиографический список
- Анализ параметров и режимов работы машин и орудий для подготовки посадочных мест
- Представление универсального почвообрабатывающего орудия в модели
- Зависимости показателей эффективности работы УПО от его конструктивных, технологических параметров и условий эксплуатации
- Количество проходов рабочего органа по одному месту в течение рабочего цикла
Введение к работе
Актуальность темы. В лесном хозяйстве нашей страны значительную часть лесокультурного фонда составляют вырубки. Несмотря на многолетний опыт лесопосадочных работ, проблема восстановления леса на вырубках остается одной из труднейших задач лесного хозяйства.
Основой рационального восстановления лесных культур на вырубках и гарях является качественная подготовка почвы, обеспечивающая оптимальные условия для выживания и роста сеянцев и саженцев лесных пород. Для этого необходимо создавать оптимальный водный режим на дренированных почвах, предотвращать избыточное поступление влаги к корневой системе растений на переувлажняемых почвах, снижать конкуренцию со стороны травянистой растительности.
Лесовосстановление на вырубках и гарях дорогостоящий технологический процесс. Наиболее энерго- и трудоемкими операциями при применяемой в настоящее время технологии, основанной на непрерывном линейном выполнении всех видов работ, являются корчевание пней и подготовка почвы к посадке. Причем предварительное полосное или сплошное корчевание пней является обязательным условием для обеспечения механизации последующих технологических операций.
Имеющийся отечественный и зарубежный опыт показывает, что снизить материальные и трудовые затраты, свести до минимального вредные экологические последствия применения механизированных способов подготовки посадочных мест, и в то же время повысить уровень механизации технологических операций, возможно, если идти по пути широкого применения машин и орудий дискретного действия. В этом случае не требуется полосная расчистка гарей и вырубок, расположенных как на равнинах, так и в горных лесах, не снижается плодородие почвы, практически исключается опасность водной эрозии и т.п. Еще более положительные результаты могут быть получены, если производить с одной установки одновременно подготовку почвы и посадку сеянцев и саженцев, например, с закрытой корневой системой.
Для реализации дискретного метода подготовки посадочных мест разработана конструкция универсального почвообрабатывающего орудия (УПО) с комбинированным рабочим органом, предназначенным для механизированной подготовки дискретных посадочных мест в виде микроповышений (на участках с временно переувлажняемыми почвами) или микропонижений (на участках с дренированными почвами), формирования лунки для посадки сеянцев и саженцев лесных пород с закрытой корневой системой.
Разработка новой конструкции универсального почвообрабатывающего орудия требует теоретических и экспериментальных исследований, связанных с определением и оптимизацией параметров комбинированного рабочего органа, обеспечивающего формирование дискретного посадочного места.
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).
Степень разработанности темы. Проблеме механизированной подготовки посадочных мест на вырубках посвящены научные работы Алябьева А.Ф., Баранова А.И., Бартенева И.М., Валяжонкова В. Д., Добрынина Ю.А., Драпалюка М.В., Попикова П.И., Соколова, А. И., Цыпука А. М. и др. В ходе анализа этих работ было выявлено, что образование посадочных мест на вырубках рабочими органами дискретного действия является перспективным направлением, однако существующих данных недостаточно для дальнейшего совершенствования технологического процесса и разработки более эффективного рабочего органа дискретного действия. Перспективным направлением является разработка универсального рабочего органа, способного осуществлять подготовку дискретных посадочных мест как на дренированных, так и на временно переувлажняемых почвах.
Цель исследований. Повышение производительности и качества механизированной подготовки посадочных мест в условиях дренированных и переувлажненных почв на вырубках путем обоснования технологического процесса и параметров рабочих органов дискретного действия.
Задачи исследований:
-
Усовершенствовать технологический процесс формирования дискретных посадочных мест и обосновать новую конструктивно-технологическую схему универсального почвообрабатывающего орудия.
-
Разработать математическую модель взаимодействия универсального почвообрабатывающего орудия с почвой, учитывающую особенности технологического процесса формирования посадочного места в виде микроповышений (микропонижений).
-
Обосновать основные геометрические параметры комбинированного рабочего органа и технологического процесса образования посадочных мест.
-
Разработать опытный образец универсального почвообрабатывающего орудия, провести экспериментальные исследования, определить агротехнические показатели его работы, разработать рекомендации по внедрению в производство, оценить экономическую эффективность.
Объект исследований. Объектами исследования является конструкция универсального почвообрабатывающего орудия (состоящего из трех дисковых корпусов и винтового бура), технологический процесс формирования посадочного места в виде микроповышения (микропонижения).
Предмет исследований. Предметом исследования являются конструктивные и технологические параметры комбинированного рабочего органа универсального почвообрабатывающего орудия и технологический процесс формирования посадочного места в виде микроповышения (микропонижения).
Научная новизна:
1. Усовершенствование технологического процесса формирования дискретных посадочных мест, отличающееся возможностью образования микроповышений (на участках с временно переувлажняемыми почвами) и микропонижений (на участках с дренированными почвами) с одновременным формированием лунки для посадки сеянцев и саженцев лесных пород с закрытой корневой системой за счет использования универсального почвообрабатывающего орудия с комбинированным рабочим органом.
-
Математическая модель взаимодействия универсального почвообрабатывающего орудия с почвой, учитывающая особенности технологического процесса формирования посадочного места в виде микроповышений (микропонижений), отличающаяся возможностью обосновать оптимальные геометрические параметры комбинированного рабочего органа, определить потребляемую мощность и основные параметры формируемого посадочного места.
-
Регрессионные зависимости взаимодействия комбинированного рабочего органа универсального почвообрабатывающего орудия с почвой, отличающиеся возможностью определения и оптимизации параметров УТЮ, обеспечивающего формирование дискретного посадочного места с необходимыми параметрами.
-
Компоновка комбинированного рабочего органа универсального почвообрабатывающего орудия, отличающаяся тем, что учитьшает взаимодействие между дисковыми рабочими органами и винтовым буром в процессе формирования посадочных мест.
-
Рабочий процесс нового универсального почвообрабатывающего орудия, отличающийся повышением качественных и экономических показателей.
Теоретическая значимость работы. Разработана имитационная модель, описывающая процесс формирования посадочного места в виде микроповышения (микропонижения). Получены новые регрессионные зависимости, позволяющие определить по заданным конструктивным и технологическим параметрам УПО параметры создаваемого посадочного места.
Практическая значимость работы. Разработана перспективная конструкция универсального почвообрабатывающего орудия, обеспечивающая образование микроповышений (на участках с временно переувлажняемыми почвами) и микропонижений (на участках с дренированными почвами), формирования лунки для посадки сеянцев и саженцев лесных пород с закрытой корневой системой, новизна которой подтверждена патентом РФ на изобретение № 2508619. Разработаны рекомендации по внедрению в производство технологии подготовки дискретных посадочных мест, алгоритмы и программы для ЭВМ для анализа эффективности работы универсального почвообрабатывающего орудия. Эти материалы использованы в ООО «СТАЛЬ-СИНТЕЗ», УОЛ ВГЛТУ, и ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г. Ф. Морозова» при подготовке бакалавров и магистров лесотехнического профиля.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретические исследования проводились при помощи метода имитационного моделирования и математической модели универсального почвообрабатывающего орудия, с использованием классической динамики упругого тела и конечно-элементного подхода. Решение систем дифференциальных уравнений производилось с помощью численного интегрирования модифицированным методом Эйлера-Коши с применением ЭВМ. Достоверность основных теоретических результатов подтверждается на опытном образце, испытанном в полевых условиях.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационная работа соответствует специальности 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства (область исследований № 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин»).
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Усовершенствование технологического процесса формирования дискретных посадочных мест, позволяющее создавать микроповышения (на участках с временно переувлажняемыми почвами) и микропонижения (на участках с дренированными почвами) с одновременным формированием лунки для посадки сеянцев и саженцев лесных пород с закрытой корневой системой за счет использования универсального почвообрабатывающего орудия с комбинированным рабочим органом.
-
Математическая модель взаимодействия универсального почвообрабатывающего орудия с почвой, учитывающая особенности технологического процесса формирования посадочного места в виде микроповышений (микропонижений), позволяющая обосновать оптимальные геометрические параметры комбинированного рабочего органа, определить потребляемую мощность и основные параметры формируемого посадочного места.
-
Регрессионные зависимости взаимодействия комбинированного рабочего органа универсального почвообрабатывающего орудия с почвой, позволяющие определить и оптимизировать параметры УПО, обеспечивающие формирование дискретного посадочного места с необходимыми параметрами.
-
Компоновка комбинированного рабочего органа универсального почвообрабатывающего орудия, позволяющая учитьшать взаимодействие между дисковыми рабочими органами и винтовым буром в процессе формирования посадочных мест.
-
Рабочий процесс нового универсального почвообрабатывающего орудия, позволяющий повысить качественные и экономические показатели.
Достоверность полученных результатов. Выводы диссертационной работы основываются на результатах анализа материала, полученного при проведении экспериментальных исследований в полевых условиях. В ходе проведения экспериментальных исследований механические свойства почвы не учитывались, т.к. при разработке математической модели было выявлено, что их влияние на качество формирования посадочного места незначительно. Полученные данные обрабатывались с помощью программ MathCAD 2014, Statistica 6.0 и Microsoft Office Excel.
Личный вклад автора в решение задачи исследования. Формулировка целей и задач диссертационной работы, проведение научно-технических исследований и анализ их результатов.
Апробация работы. Основные тезисы диссертационной работы рассматривались на: научных конференциях профессорско-преподавательского состава, заседаниях кафедры МЛХиПМ Воронежского государственного лесотехнического университета имени Г.Ф. Морозова (2011...2015 гг.), Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика» (25-27 марта 2014 г, г. Воронеж), V Международной заочной научно-практической конференции «Техника и технологии: роль в развитии современного общества» (28 мая 2015 г, г. Краснодар), Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные научные исследования» (17 мая 2015 г, г. Москва), Международной научно-практической конференции «Перспективы модернизации современной науки» (13 мая 2015 г, г. Уфа).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 работах, в том числе 6 статей в изданиях центральной печати рекомендованных ВАК, 6 публикаций без соавторов, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка и приложений. Общий объем работы - 164 страницы машинописного текста, включающего 156 страниц основного текста, 8 страниц приложений, 7 таблиц, 50 рисунков и 136 использованных источников из которых 19 иностранные.
Анализ параметров и режимов работы машин и орудий для подготовки посадочных мест
Качественное воспроизведение лесных ресурсов и повышение продуктивности лесов - важнейшая проблема современности. Одно из центральных мест при ее решении занимает искусственное лесовосстановление.
Наиболее проблемными территориями для лесовосстановления считаются вырубки и гари. В последнее время в России для эффективного использования на таких участках средств механизированной посадки и выращивания лесных культур высокого качества используется две технологии лесовосстановления: создание культур на вырубках (технология полосной расчистки и раскорчевки) и создание культур на нераскорчеванных вырубках.
Первая технология наиболее распространена в таежной зоне. Для расчистки вырубки требуется срезание и раскряжевка обгорелых деревьев бензопилами, расчистка полос (проходов) от порубочных остатков, валежника и крупных корней шириной 2 ... 2,5 м для свежих вырубок с дренированными и временно переувлажненными почвами и шириной 3 ... 4 м на почвах с постоянным избыточным увлажнением. Причем в целях снижения негативных воздействий корчевки, производится плавное искривление расчищаемых полос. Далее осуществляется нарезка борозд плугами ПКЛ-70, или ПЛ-1, полосное рыхление почвы фрезерными машинами МЛФ-0,8, ФЛУ-0,8, посадка лесных культур лесопосадочными машинами типа МЛУ-1. Негативными последствием интенсивных расчисток вырубок являются: образование глубокой колеи после использования гусеничных тракторов; уплотнения и минерализация почвы; разрушение структуры, истощение верхнего гумусового слоя, снижение плодородия почвы; ухудшение физико-механических и технологических свойств почвы. При необходимости осуществлять корчевание пней последствия для вырубки еще более губительны: минерализация поверхности почвы вокруг пней, образование под-пневых ям и нарушение профиля почвы, удаление вместе с пнями гумусового слоя почвы, захламление межполосного (кулисного) пространства выкорчеванными пнями и порубочными остатками. Это приводит к нарушению естественного воздухо- и водообмена и, как следствие, к локальному заболачиванию, последующему вымоканию и гибели лесных культур. Особенно губительны последствия корчевки пней на участках с бедными почвами, с тонким гумусовым слоем [20, 21, 24, 26, 48, 108].
При использовании на лесовосстановительных работах метода полосной расчистки возникает необходимость последовательного применения для различных технологических операций большого количества машин, в основном с гусеничным базовым трактором. Это приводит к большому увеличению металлоемкости на вырубках, что, за счет неоднократного прохода техники по одному и тому же месту, повышает нагрузку на почву и отрицательно сказывается на качестве подготовки почвы. Также для работы требуются большие финансовые затраты, связанные с покупкой всех необходимых агрегатов, поддержке их в оптимальном состоянии, что в свою очередь приводит к необходимости использования большого числа работников, а это в условиях нехватки квалифицированных кадров также вызывает сложности. Отдельно следует заметить, что основные трудозатраты при полосной расчистке приходятся на расчистку и раскорчевку территории превышая в несколько раз затраты на выполнение последующих технологических операций (подготовку почвы, посадку лесных культур, уход за ними).
Вторая технология лесовосстановления - создание культур на нераскорче-ванных вырубках получила высокое распространение в лесостепной зоне. При этом методе предпосадочная очистка вырубки не производится. Подготовка борозд осуществляется в основном между пнями. При этом хорошо прослеживается неравномерность обработки почвы: криволинейность борозд, различное рас стояние между ними, что приводит к усложнению или практически полному отсутствию механизации процессов посадки и ухода за лесными культурами [20].
При отсутствии должного ухода за культурами на вырубках в течение 3 ... 5 лет после посадки наблюдается гибель до 30% саженцев в результате их заглушения травянистой растительностью и второстепенными лиственными породами, заваливания снегом и сухой травой. Процесс зарастания территории происходит довольно быстро и, начиная со следующего года после посадки, необходимо ежегодно производить осветление, что довольно сложно осуществить, если саженцы высажены по криволинейным бороздам на нераскорчеван-ных вырубках [31, 54].
Еще одним типом сложных для предпосадочной подготовки почвы территорий являются участки горных и овражно-балочных склонов, особенно подверженных эрозии. Для выращивания лесных культур в таких условиях применяют частичную обработку почвы: полосами, бороздами, террасами или площадками. На склонах крутизной до 8 производится сплошная обработка почвы, при крутизне 8 ... 12 - полосная подготовка. Для полосной вспашки применяются навесные плуги общего и специального назначения (двухотвальные, оборотные, челночные). Метод террасирования применяется для участков, подверженных сильной эрозии крутизной более 8. В России широкое распространение получили ступенчатые террасы. При их организации используют три метода: нарезной, напашой и выемочно-насыпной. Напашное террасирование производят на участках склонов крутизной до 20 с использованием тех же плугов, что и при полостной вспашке, смонтированных на крутосклонные тракторы. Террасы подготавливают за несколько проходов агрегата поперек склона с оборотом почвенного пласта вниз. Нарезное террасирование применяют на склонах крутизной 12 ... 40. Для него используют грейдеры, бульдозеры, а также специальные агрегаты для работы на склонах - террасеры. Подготовка почвы также осуществляется при горизонтальном проходе агрегата поперек склона. При образовании террас вдоль склона возникает ряд сложностей, свя занных с короткой длинной гонов, повышенным риском сдвига почвы, что приводит к уменьшению производительности и трудностям при организации технологического процесса [15, 70, 71, ПО].
Выемочно-насыпное террасирование более эффективно. Образование отдельных посадочных мест в виде площадок происходит при движении террас е-ра вниз по склону. Количество и размер площадок обычно выбирается в зависимости от степени захламленности вырубки, количества пней и возраста используемого посадочного материала. Обычно террасы нарезают шириной 2,5 ... 3,0 м для посадки одного ряда и 4,0 ... 4,5 м для посадки двух рядов. Расстояние между ними зависит от крутизны склона и принимается 3,0 ... 6,0 м. Террасы, как правило, имеют обратный уклон 2 ... 4, что позволяет собирать поверхностные стоки осадков и замедлять процесс эрозии. При этом создаются благоприятные условия для выращивания лесных культур [32, 34].
Следует учитывать, что при работе на склонах образованные непрерывные борозды и посадочные щели при выпадении атмосферных осадков являются направителями водных потоков. В результате на месте борозд и щелей образуются промоины, происходит смыв почвы до обнажения каменистых включений. Террасирование в свою очередь является действенным приемом при освоении таких участков. Оно служит для предотвращения водной эрозии почвы, улучшения воздушно-тепловых режимов и повышения эффективности последующих агротехнических уходов, характерных для равнинных участков. Однако на нерасчищенных горных вырубках и гарях применение метода террасирования сильно затруднено из-за пней. В свою очередь корчевание пней в условиях склонов применяется крайне редко из-за водной эрозии почв. Поэтому в условиях вырубок и гарей в горных лесах, а также крутых овражно-балочных склонов все большее распространение в мировой практике находят технологии, основанные на применении машин дискретного действия.
Представление универсального почвообрабатывающего орудия в модели
В соответствии с третьим законом Ньютона «силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по величине и противоположны по направлению», поэтому при расчете силы, действующей со стороны элемента / на элемент j, будем считать, что Ftj — F-i. Согласно второму закону Ньютона движение /-го элемента характеризуется следующей зависимостью:
Система дифференциальных уравнений данного вида для / элементов описывает изменение почвенной системы при ее обработке УПО. Под воздействием рабочих поверхностей орудия происходит изменение пространственного положения шарообразных элементов почвы и под орудием со временем образуется конусообразное углубление. Суммарная сила со стороны множества одновременно действующих на орудие элементов позволяет рассчитать потребляемую орудием мощность.
При разработке математической модели вращение отдельных элементов почвы вокруг собственных центров не учитывалось. При этом погрешность не вносится, так как они объединяются, образуя совокупности элементов в виде комьев или пластов почвы, при движении которых учет вращения отдельных фрагментов происходит автоматически за счет перемещения относительно друг друга.
При проведении компьютерного эксперимента элементы почвы имели возможность перемещаться внутри пространства куба с размерами L х L х L. Перед началом компьютерного эксперимента элементы почвы случайным образом распределялись в нижней части кубической области моделирования в несколько слоев. При этом формируется плотная упаковка, образованная с применением алгоритма встряски. Движущееся в вертикальном направлении орудие, взаимодействуя дисками и буром с элементами почвы, постепенно формирует углубление заданной формы.
Чтобы во время компьютерного эксперимента элементы почвы не покидали пространство куба, после каждого шага интегрирования выполняется проверка следующих условий xt 0, у І 0, Zj 0, xt L, yt L, zt L. Выполнение хотя бы одного из условий означает, что элемент почвы выходит за грань куба, а это недопустимо. Поэтому он зеркально отражается от соответствующей грани куба и возвращается обратно в область моделирования. Так, например, при выполнении условия у І L, координате yt элемента присваивается значение yt = = L - (уІ - L), а скорость элемента в направлении OY меняет знак и гасится: Vyi = - kyC-Vyi, где кус - коэффициент уменьшения скорости (в большинстве расчетов имел значение 0,95).
Одним из важнейших параметров математической модели почвы, влияющей на ее адекватность является диаметр элементов почвы йэ. При уменьшении значения этого параметра точность представления почвы в модели возрастает, следовательно растет и ее адекватность. Однако количество элементов Ыэ, представляющих заданный объем почвы, резко увеличивается с уменьшением йэ (по закону более сильному, чем кубический). Что в свою очередь приводит к увеличению уравнений, необходимых для представления почвы, усложнению расчетов и увеличению продолжительности компьютерного эксперимента. Действительно, уменьшение диаметра элементов почвы в два раза приводит к увеличению длительности расчета на ЭВМ более чем в 8 раз. Учитывая вычислительные возможности современных персональных ЭВМ (2013 г.) оптимальный диаметр элементов составляет порядка 5 см. Такой диаметр позволяет с достаточной точностью описать почву, но не приводит к чрезмерно длительным компьютерным расчетам. Общее же количество элементов почвы в модели составляет около 3000.
Процедура предварительной подготовки плотноупакованного объема почвы производится следующим образом. Сначала заданное количество элементов почвы случайным образом по равномерному закону распределяется внутри модельного куба. После этого интегрируются уравнения движения почвы (2.6) в течение определенного промежутка времени (2 модельные секунды). Под действием сил тяжести элементы постепенно оседают и формируют в нижней части куба слой почвы.
В конце процедуры подготовки почвы производится связывание элементов. Информация о "связности" хранится в двумерном массиве K(i, j). Каждая ячейка (/, j) либо принимает значение "истинно", если элементы / и j контактируют (ггу ad3), если контакт отсутствует, ячейке присваивается значение "ложно". При проведении компьютерного эксперимента проводится регулярная проверка на связанность каждой пары i—j. Если условие связанности пары (гу- adj) не выполняется, то соответствующей ячейке массива K(i, j) присваивается значение "ложно". При моделировании песчаных почв связывание элементов не производится, все элементы почвы учитываются как несвязанные.
Так как рабочие поверхности универсального почвообрабатывающего орудия имеют сложные геометрические формы, то для их представления в модели используется конечно-элементный подход. Рабочие поверхности заменяются набором соединенных друг с другом элементов-треугольников. Примеры разбиения сферической поверхности на треугольники с указанием индексов базовых точек и элементарных треугольников приведены на рисунке 2.4.
Зависимости показателей эффективности работы УПО от его конструктивных, технологических параметров и условий эксплуатации
Обобщая сказанное выше можно сделать вывод, что угол схождения дисков /? = 20...30 является оптимальным углом для обоих режимов работы орудия (формирование микроповышений или микропонижений). Подобные результаты были получены и при двухфакторной оптимизации (25 для режима формирование микроповышений и -24 для режима формирование микропонижений). Изменяя угол $ в интервале 20... 30 можно осуществлять более точную настройку формы микроповышения (микропонижения), а именно регулировать крутизну и высоту конуса [18]. і/ Лк,см а - высоты (глубины) формируемого конуса; б - неоднородности высоты в окружном направлении; в - потребляемой мощности; 1 - режим формирования микроповышений; 2 - режим формирования микропонижений Рисунок 2.22 - Зависимости показателей эффективности УПО от угла схождения дисков /?
Наибольшее воздействие на динамический режим движения почвы оказывает частота вращения ротора vp. Так при малой скорости вращения ротора пласт почвы срезается и смещается дисками, а при большой скорости вращения ротора фрагменты почвы приобретают радиальное ускорение и отбрасываются за границы области обработки. Для изучения влияния vp на показатели эффективности УПО проведена серия компьютерных экспериментов, в рамках которой vp изменяли в интервале 0,25 ... 1,50 с" с шагом 0,25 с" (рисунки 2.23.. .2.25).
Наиболее выраженный конус был получен при обработке почвы с часто той вращения ротора 0,50...1,00 с" (рисунок 2.23). При малых значениях vp, движение ротора несколько хаотизированно в вертикальном направлении, так как он успевает реагировать на флуктуации механических свойств почвы, поэтому конус получается размытым. В то же время при высоких частотах вращения ротора фрагменты почвы имеют высокий импульс. Здесь также можно наблюдать некоторую хаотизацию их движения, которая приводит к изменению формы конуса.
Анализ окружных профилей (рисунок 2.24) вывил, что при работе УПО в режиме формирования микроповышений окружная неоднородность возрастает с увеличением vp, а при формировании микропонижений - уменьшается.
С ростом частоты вращения ротора, потребляемая орудием мощность резко возрастет по закону близкому к квадратичному (рисунок 2.25, в). Так при vp= 0,5 с" мощность составляет 10 кВт, а при повышении частоты вращения ротора в два раза наблюдается почти трехкратный рост потребляемой мощности до 25...30 кВт. Такие значения мощности довольно сложно получить при использовании в качестве привода ВОМ трактора или гидромотора, питаемого от гидросистемы трактора.
Таким образом, оптимальное значение частоты вращения ротора составляет 0,5 с" . При этом значении формируется качественный, хорошо выраженный конус. Высота микроповышения составляет не менее 15 см, а микроповышения - не менее 8 см, потребляемая мощность не превышает 10 кВт, а окружная неравномерность не более 10 см [74]. -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.-4 0.6 r.u a - высоты (глубины) формируемого конуса; б - неоднородности высоты в окружном направлении; в - потребляемой мощности; 1 - режим формирования микроповышений; 2 - режим формирования микропонижений Рисунок 2.25 - Зависимости показателей эффективности УПО от частоты вращения ротора vp
Длина поводка 1ц (расстояние между осью ротора и геометрическим центром сферического диска) оказывает наибольшее воздействие на диаметр формируемого конуса. Для изучения влияния длины поводка 1ц на качество формирования посадочного места и потребляемую УПО мощность была проведена серия компьютерных экспериментов, в ходе которой длину поводка 1ц изменяли в интервале 0,4 ... 0,7 м с шагом 0,1 м (рисунки 2.26...2.28).
В результате анализа результатов компьютерных экспериментов было выявлено, что 1ц влияет не только на диаметр формируемого конуса, но и на его форму и выраженность. Рассматривая поперечные профили (рисунок 2.26) можно сказать, что диаметр конуса можно изменять в интервале 1,1 ... 1,4 м при изменении длины поводка от 0,4 до 0,7 м. Однако при малой длине поводка 1ц = 0,4 м сферические диски располагаются слишком близко от оси ротора и подают большой объем почвы в район работы бура, что приводит к засыпанию центральной посадочной лунки. При слишком же большой длине поводка (1ц = 0,6...0,7 м) диски достаточно далеко отстоят от оси ротора, а подаваемый ими объем почвы формирует конус довольно большого диаметра, причем вокруг самой лунки формируется небольшое микропонижение диаметром 0,6...0,7 м.
Анализируя графики зависимости показателей эффективности универсального почвообрабатывающего орудия от длины поводка 1ц можно также сказать, что с увеличением длины поводка окружная неравномерность плавно уменьшается в интервале 7...10 см (рисунок 2.28, б), а потребляемая мощность растет по закону, схожему с линейным (рисунок 2.28, в). Это приводит к необоснованному повышению энергопотребления при больших значениях 1ц
Следовательно, для получения оптимального качества формирования микроповышения (микропонижения) длина поводка 1ц должна быть около 0,5 м. При таком значении конусы микроповышения и микропонижения имеют правильную форму, достаточно мала окружная неравномерность (около 8 см), и приемлема потребляемая мощность (около 8 кВт) [18].
Количество проходов рабочего органа по одному месту в течение рабочего цикла
Количество проходов рабочего органа УПО по одному месту в течение рабочего цикла Nnp, должно влиять на величину заглубления орудия (соответственно на высоту формируемого конуса), а также на общие энергозатраты по формированию микроповышения (микропонижения).
Анализируя результаты эксперимента необходимо отметить одинаковый характер изменения функций как для режима формирования микроповышения, так и микропонижения. С увеличением Nnp высота конуса Нк сначала быстро увеличивается вплоть до 4 ... 6 оборотов, затем практически не изменяется (рисунок 4.3, а). Замедление роста зависимости h (Nnp) можно объяснить тем, что по мере заглубления УПО встречает все большее сопротивление: как за счет большей плотности нижних слоев почвы, так и за счет большей поверхности контакта с почвой. Окружная неравномерность приблизительно линейно увеличивается с увеличением Nnp (рисунок 4.3, б). По-видимому, чем дольше вращается ротор в почве, тем больший объем почвы скапливается под дисками. Потребляемая мощность увеличивается приблизительно по квадратичному закону (рисунок 4.3, в), что можно объяснить приблизительно квадратичным ростом объема удаляемой почвы по мере погружения орудия. 116 а - высоты (глубины) конуса посадочного места; б - неоднородности высоты микроповышения (микропонижения) в окружном направлении; в -потребляемой мощности Рисунок 4.3 - Зависимости показателей эффективности УПО от количество проходов рабочего органа по одному месту в течение рабочего цикла Nnp (экспериментальные данные) В данной серии экспериментов целесообразно оценивать не потребляемую мощность, а общие затраты энергии (работу) А на формирование микроповышения (микропонижения), которые определяются по формуле: где tmax - время совершения количества проходов Nnp, с.
С точки зрения повышения производительности и снижения энергозатрат целесообразно осуществлять как можно меньше проходов рабочего органа по одному месту в течение рабочего цикла. Однако, с точки зрения повышения качества формирования микроповышения (микропонижения), целесообразно производить не менее 4...6 проходов, пока высота Нк не достигнет заданной величины.
Необходимо отметить, что Nnp может выступать, как параметр управления высотой микроповышения (глубиной микропонижения): изменяя его от 1 до 10 оборотов можно изменять высоту микроповышения от 8 до 22 см, а глубину микропонижения от 5 до 14 см. Кроме того, изменением Nnp в зависимости от типа и состояния почвы можно обеспечить заданную величину Нк [76].
Данный параметр определяет диаметр и площадь области обработки орудия. При проектировании опытного образца УПО предусмотрена возможность установки корпуса диска на трех различных расстояниях от оси ротора, для чего на поводках предусмотрены три группы отверстий.
Изменение 1ц целесообразно не столько для управления параметрами Нк и АИн, сколько для задания необходимого диаметра микроповышения (микропонижения), например, в зависимости от диаметра бура. Поэтому, как и следовало ожидать, высота конуса и величина окружной неоднородности практически не зависят от 1ц (рисунок 4.4, а, б). При малом 1ц происходит не только смещение почвы к центру круга обработки (в режиме формирования микроповышений), но и дополнительное накопление почвы за счет малого радиуса кривизны, поэтому с уменьшением 1ц несколько увеличивается Нк (рисунок 4.4, а).
С увеличением Ід потребляемая мощность существенно увеличивается приблизительно по линейному закону (рисунок 4.4, в). С увеличением расстояния диска от оси увеличивается плечо действия тангенциальной составляющей силы сопротивления FT, испытываемой диском, поэтому момент сопротивления вращению практически линейно зависит от плеча, соответственно практически линейно зависит и потребляемая мощность, которая оценивается по формуле N = VpFj-Ід.
Для данной серии экспериментов наблюдается хорошее качественное и количественное совпадение экспериментальных данных с модельными. Различие в среднем составляет около 5 %. Наибольшее различие наблюдается для зависимости Нк(1д) (рисунок 4.4, а), что, по-видимому связано с различными механизмами образования горки почвы под диском в модели и в реальности.
Таким образом, длина поводка 1д может использоваться либо как регулировочный параметр, определяющий диаметр центральной области микроповышения (микропонижения), либо может устанавливаться минимальным с целью достижения максимальной высоты (глубины) конуса и минимальной потребляемой мощности [76].
Двухфакторный эксперимент проводился с целью экспериментальной оптимизации параметров УПО и в соответствии с матрицей планирования эксперимента (таблица 3.1). Результаты эксперимента представлены в таблице 4.1.
При анализе полученных в ходе двухфакторного эксперимента результатов найдены регрессионные зависимости критериев Ик, ЛНи и N от факторов /? и Nnp в виде полиномов второго порядка. Аппроксимация методом наименьших квадратов произведена с помощью математической программы MathCAD 14 (приложение В). В результате получены следующие выражения [50, 53]: