Повышение эффективности почвообрабатывающих агрегатов при лесовосстановлении на вырубках Зеликов Владимир Анатольевич

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время при лесовосстановлении наибольшие объемы работ осуществляются на нераскорчеванных вырубках, гарях, рекультивируемых землях, косогорах, оврагах и других неудобиях. Выполняемые при этом операции первичной обработки почвы и последующие многочисленные уходы за лесными культурами в рядах и междурядьях характеризуются высокими трудоемкостью и энергозатратами. В этих условиях качественное и своевременное выполнение всего комплекса регламентированных технологических операций невозможно без применения высоконадежных и эффективных лесных почвообрабатывающих агрегатов (ЛПА).

Вследствие невысокой надежности ресурс серийных ЛПА, используемых на не-раскорчеванных вырубках, неоправданно снижен в два и более раз, а общие затраты на устранение многочисленных отказов и потерь из-за негативных последствий вынужденных простоев за весь период эксплуатации примерно втрое превышают первоначальную стоимость этой техники. Кроме этого, эксплуатирующие организации при лесовос-становительных работах на нераскорчеванных вырубках несут значительные потери из-за недостаточной эффективности ЛПА, основными причинами которой являются недооценка разработчиками и производителями актуальности и приоритетов при создании новых образцов лесных почвообрабатывающих орудий (ЛПО), а также недостаточное финансирование перспективных разработок и слабая координация НИР и НИОКР.

К настоящему времени все еще отсутствуют полноценные комплексные исследования в системе «трактор-почвообрабатывающее орудие-среда», направленные на создание конструкций ЛПА с повышенными эксплуатационными свойствами, наиболее полно приспособленными для работы на нераскорчеванных вырубках. В частности, недостаточно разработанными остаются вопросы, связанные с повышением показателей надежности, энергосбережения и качества обработки почвы в рядах лесных культур. Несмотря на имеющиеся отдельные перспективные теоретические и конструкторские разработки, основные показатели эффективности отечественных серийных ЛПА и ЛПО заметно уступают таким показателям аналогичных зарубежных образцов. Так, вследствие отсутствия энергосберегающих элементов, механизмов и систем, отечественные серийные ЛПА в 1,3-1,5 раза расходуют топлива больше, обладают недостаточной производительностью и низким коэффициентом технического использования из-за частых вынужденных простоев по причине поломок и повреждений. Кроме этого, вследствие несовершенства конструкций навесных устройств тракторов и средств защиты от перегрузок рабочих органов, ЛПО имеют повышенную металлоемкость, слабую заглубляемость и неудовлетворительное копирование рабочими органами обрабатываемой поверхности. Следствием отмеченных недостатков является низкое качество обработки почвы в тяжелых условиях нераскорчеванных вырубок, что вынуждает механизаторов проводить непроизводительные и энергозатратные повторные проходы.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» «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. Фундаментальные работы по лесовосстанов-лению на нераскорчеванных вырубках заложены в трудах ученых А.И. Баранова, И.М. Зима, Т.Т. Малюгина, П.С. Нартова, В.Н. Винокурова, И.М. Бартенева, М.ф. Албякова, Г.А. Ларюхина, Л.Н. Прохорова, Л.Т. Свиридова, П.М. Мазуркина и др. Ими предложены основные концепции и направления научных исследований, а также разработаны системы машин для воспроизводства леса, с учетом многочисленных факторов и особенностей лесохозяйственного производства. В тоже время ряд проблемных вопросов все еще не

нашел своего окончательного решения, в частности, таких как совершенствование системы машин для лесного хозяйства, внедрение современных технологических процессов, разработка эффективных энергосберегающих технологий, механизмов и систем, совершенствование и углубление теории расчета и проектирования на основе имитационного моделирования и компьютерных экспериментов.

Изучению вопросов, связанных с разработкой перспективных технологий, совершенствованием существующих и разработкой новых конструкций ЛПА и ЛПО для лесо-восстановления посвящены работы ученых В.Г. Шаталова, Ю.А. Ширнина, В.С. Сюнёва, Ю.М. Жданова, В.И. Казакова, В.И. Патякина, А.Ф. Алябьева, А.В. Родионова, М.В. Дра-палюка, П.П. Корниенко, Г.Б. Климова и др. Тем не менее, в трудах этих ученых, не в полной мере отражены такие специфические особенности работы навесных ЛПО, как влияние кинематических и конструктивных параметров тракторных навесных устройств на способность к заглублению, стабильность хода, регулирование глубины обработки и копирование дисковыми рабочими органами неровностей рельефа на нераскорчеванных вырубках и других неудобиях.

Научные основы, а также вопросы проектирования, надежности, эксплуатации и ресурсосбережения лесных машин отражены в работах С.Ф. Орлова, В.А. Александрова, В.В. Амалицкого, В.Н. Андреева, А.М. Цыпука, З.Е. Емтыля, А.Н. Заикина, Ю.Ю. Герасимова, В.Р. Карамышева, Е.А. Памфилова, В.И. Посметьева, С.И. Сушкова, О.Н. Бурми-стровой, А.А. Санникова и др. Вследствие большого круга задач и сложности их решения при создании новой техники для лесного хозяйства, проблемы ресурсосбережения и надежной защиты ЛПА от перегрузок с помощью эффективных конструкций предохранителей в настоящее время остаются актуальными.

Общие вопросы теории расчета и обоснования параметров объемного гидропривода для лесных, сельскохозяйственных и других машин освещены в работах Ю.И. Багина, П.И. Попикова, Н.И. Лебедева, П.Е. Осипова, Д.Д. Ерахтина, Г.Л. Кальбуса, И.В. Фрумкиса, В.П. Гребнева, В.Н. Солнцева, В.И. Акулинина, А.А. Котова, Л.А. Кондакова, Е.И. Абрамова, Ю.Н. Лаптева, В.В. Ермакова, Н.С. Гамынина и др. Несмотря на известные достижения, остаются нерешенными вопросы надежности элементов и систем энергосбережения ЛПА, оснащенных гидроприводами. В частности, все еще недостаточно глубоко проработаны вопросы теоретического обоснования и внедрения эффективных энергосберегающих механизмов и систем, повышения КПД и понижения инерционности работы гидроприводов.

Глубоко проработаны схожие по направлениям исследований с рассмотренными выше вопросы по сельскохозяйственным почвообрабатывающим агрегатам, строительным и дорожным машинам, гидроприводам машин, а также при решении транспортных задач в трудах ученых В.П. Горячкина, Г.Н. Синеокова, И.М. Панова, Д.А. Чудакова, Н.И. Кленина, В.А. Сакун, А.Б. Лурье, Е.Н. Харитончика, А.П. Тарасенко, О.И. Поливае-ва, В.К. Курьянова, Н.М. Шарова, Ю.Ф. Устинова, А.В. Скрыпникова, Д.Н. Афоничева, В.В. Василенко, К.А. Яковлева, А.Ю. Мануковского и др. Результаты этих исследований широко используются при совершенствовании и углублении теории, а также при создании новых технических средств для лесохозяйственного производства. В тоже время эти исследования требуют дальнейшего развития с учетом особенностей функционирования ЛПА как на очищенных, так и не очищенных от пней вырубках.

Цель работы – повышение эффективности почвообрабатывающих агрегатов при лесовосстановлении на вырубках путем реализации перспективных технических решений на основе комплексного подхода и учета особенностей функционирования агрегатов в системе «трактор-почвообрабатывающее орудие-среда».

Задачи исследования:

1. Обосновать на основе изучения состояния проблемы и комплексного подхода

новые технические решения по совершенствованию конструкций почвообрабатывающих агрегатов, используемых при лесовосстановлении на нераскорчеванных вырубках.

1. Разработать математические модели, алгоритмы и программы для ЭВМ рабочих процессов и оптимизации параметров лесных почвообрабатывающих агрегатов для вырубок с реализованными в их конструкциях новыми техническими решениями.

2. Исследовать процессы взаимодействия с почвой и препятствиями на нераскор-чеванных вырубках дисковых рабочих органов усовершенствованных почвообрабатывающих орудий и агрегатов.

3. Установить закономерности функциональных связей между рабочими и конструктивными параметрами предлагаемых новых технических решений и количественными показателями их эффективности.

4. Получить аналитические зависимости режимов работы от основных геометрических и кинематических параметров внедряемых новых технических решений.

5. Разработать методики и провести экспериментальные исследования и опытно-производственную проверку натурных образцов и на этой основе разработать рекомендации по их рациональному применению.

Объекты и предмет исследования. Объектами исследования являются перспективные технические решения и рабочие процессы почвообрабатывающих агрегатов. Предметом исследования являются математические модели функционирования и закономерности изменения параметров усовершенствованных лесных почвообрабатывающих агрегатов при их использовании на нераскорчеванных вырубках.

Научная новизна результатов работы. Научной новизной обладают:

1. Защищенные патентами на изобретения новые технические решения для почвообрабатывающих агрегатов, отличающиеся повышенными эксплуатационными свойствами и эффективностью при лесовосстановлении на нераскорчеванных вырубках.

2. Математические модели, алгоритмы и программы для ЭВМ рабочих процессов и оптимизации параметров новых конструкций предохранителей рабочих органов, приспособления к навесным устройствам тракторов и энергосберегающих гидроприводов, отличающихся учетом технологических факторов и особенностей функционирования агрегатов при лесовосстановлении на нераскорчеванных вырубках.

3. Результаты исследования вибрационного взаимодействия с почвой и препятствиями дисковых рабочих органов усовершенствованных почвообрабатывающих орудий, отличающиеся учетом динамики процесса, особенностей рельефа и препятствий, а также физико-механических и технологических свойств почвы на нераскорчеванных вырубках.

4. Закономерности функциональных связей между рабочими и конструктивными параметрами предлагаемых новых технических решений и количественными показателями их эффективности, отличающиеся учетом особенностей функционирования агрегатов в системе «трактор-почвообрабатывающее орудие-среда».

5. Аналитические зависимости режимов работы лесных почвообрабатывающих агрегатов от основных геометрических и кинематических параметров внедряемых новых технических решений, отличающиеся учетом их технологических и конструктивных особенностей.

6. Методики и результаты экспериментальных исследований и опытно-производственной проверки натурных образцов, отличающиеся повышенными точностью и объективностью за счет учета многофакторных воздействий внешней среды и обоснованного числа фиксируемых параметров, позволившие разработать рекомендации по рациональному использованию предлагаемых новых технических решений.

Теоретическая значимость работы заключается в: углублении теории исследования процессов взаимодействия пассивных и активных дисковых рабочих органов почвообрабатывающих орудий, колесного и гусеничного движителей тракторов с почвой и

препятствиями, а также движения на вырубках почвообрабатывающих агрегатов, оснащенных энергосберегающими гидроприводами с учетом основных факторов, воздействующих на агрегаты в системе «трактор-почвообрабатывающее орудие-среда»; добавлении в теорию расчета дисковых почвообрабатывающих орудий расчета, с применением ЭВМ, основных параметров разработанной конструкции приспособления к навесным устройствам агрегатируемых тракторов, обеспечивающего заглубляемость дисковых рабочих органов без использования традиционного балласта; расширении теории расчета средств защиты почвообрабатывающих орудий от перегрузок за счет расчетов с применением ЭВМ новых трех конструкций предохранителей рабочих органов; разработке новых технических решений по совершенствованию конструкций почвообрабатывающих агрегатов, защищенных патентами РФ на изобретения – пневматического и двух гидравлических предохранителей с вибрационными кулачковым и гидропульсаторным механизмами рабочих органов, рекуперативных гидроприводов тракторов и приспособления к навесным устройствам тракторов; сокращении сроков и повышении качества проектирования путем использования результатов имитационного моделирования и соответствующих разработанных программ для ЭВМ, обеспечивающих обоснование и оптимизацию параметров рабочих процессов и конструкций перспективных технических решений, реализуемых на лесных почвообрабатывающих агрегатах, с учетом воздействия негативных факторов, характерных для вырубок.

Практическая значимость работы заключается в повышении эффективности лесных почвообрабатывающих агрегатов за счет совершенствования их конструкций с помощью разработанных и апробированных новых технических решений, обеспечивающих: снижение расхода топлива за счет уменьшения рабочего сопротивления агрегатируемых орудий, отказа от использования грузов и повторных проходов агрегатов при уходе за лесными культурами, использования энергосберегающих гидроприводов в предохранителях рабочих органов, ходовой части и навесных устройствах тракторов; снижение времени простоев агрегатов из-за поломок путем уменьшения воздействия на них опасных нагрузок с помощью пневматического и пневмогидравлических предохранителей, а также приспособления к навесным устройствам тракторов; повышение качественных показателей за счет снижения повреждаемости лесных культур, улучшения крошения и рыхления почвы, более полного подрезания сорной растительности, стабильности хода на заданной глубине обработки и лучшему копированию рабочими органами обрабатываемой поверхности благодаря использованию гидравлических вибрационных механизмов рабочих органов, а также путем совершенствования навесных устройств тракторов.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования выполнялись с использованием законов классической физики, основ теоретической механики, математическом и имитационном моделировании, а также численных методов. Экспериментальные исследования по проверке базовых теоретических положений выполнялись на натурных серийных и опытных образцах лесных почвообрабатывающих агрегатов на специальном стенде в лабораторных и в условиях реальных лесных объектов на нерас-корчеванных вырубках. Исследуемые параметры регистрировались электротензометри-ческим методом с беспроводной передачей данных и обработкой на ЭВМ получаемых результатов методами математической статистики в режиме реального времени, а также метод видеосъемки малогабаритными цифровыми бортовыми и стационарными камерами с компьютерным распознаванием образов и обработкой изображений.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Защищенные патентами на изобретения новые технические решения с обоснованными параметрами, направленные на совершенствование конструкций почвообрабатывающих агрегатов для нераскорчеванных вырубок, обеспечивающие энергосбережение, уменьшение металлоемкости почвообрабатывающих орудий, повышение качества

обработки почвы, а также снижение нагрузок на орудие и агрегатируемый трактор.

2. Математические модели, алгоритмы и программы для ЭВМ рабочих процессов и оптимизации параметров новых конструкций предохранителей рабочих органов, приспособления к навесным устройствам тракторов и энергосберегающих гидроприводов, обеспечивающие совершенствование теории, повышение качества и сокращение сроков проектирования почвообрабатывающих агрегатов для вырубок.

3. Результаты исследования вибрационного взаимодействия с почвой и препятствиями дисковых рабочих органов усовершенствованных почвообрабатывающих орудий, позволяющие обосновывать рабочие и конструктивные параметры гидромеханического и гидропульсаторного вибрационных приводов.

4. Закономерности функциональных связей между рабочими и конструктивными параметрами предлагаемых новых технических решений и количественными показателями их эффективности, способствующие принятию рациональных решений на стадии проектирования перспективных образцов почвообрабатывающих орудий для вырубок.

5. Аналитические зависимости режимов работы от геометрических и кинематических параметров внедряемых новых технических решений, позволяющие рассчитать основные показатели функционирования лесных почвообрабатывающих агрегатов на вырубках.

6. Методики и результаты экспериментальных исследований и опытно-производственной проверки натурных образцов, позволяющие проверить адекватность основных теоретических положений и оценки эффективности реализации новых технических решений и на этой основе разработать рекомендации по их рациональному использованию.

Соответствие диссертационной работы паспорту научной специальности. Результаты диссертационной работы, выносимые на защиту, соответствуют паспорту специальности 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства, пунктам: 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохо-зяйственных машин», 2 – «Теория и методы воздействия техники и технологий на лесную среду в процессе заготовки древесного сырья и лесовыращивания», 4 – «Исследование условий функционирования машин и оборудования, агрегатов, рабочих органов, средств управления».

Степень достоверности результатов и выводов теоретического исследования обеспечена корректностью постановки задач, применением современных методов получения и обработки исходной и получаемой информации, сходимостью теоретических и экспериментальных результатов. Достоверность результатов экспериментального исследования базируется на использовании современных методик и экспериментального оборудования, подтверждена обоснованным объемом экспериментального материала, а также положительными результатами испытаний опытных образцов в реальных условиях эксплуатации на лесных объектах.

Апробация результатов работы. Материалы и результаты диссертационного исследования докладывались на следующих научных конференциях: Воронежского государственного лесотехнического университета (1998-2017 гг.); Всероссийской НПК «Лесной и химический комплексы – проблемы и решения» в Красноярске (2008 г.); IX Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» в Туле (2011); V межрегиональной агропромышленной выставке-демонстрации в Воронеже (2011 г.); Вологодского государственного технического университета (2010-2011 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Лесной комплекс России: актуальные проблемы и стратегии развития» в Воронеже (2015 г.); XVI-я международная научно-техническая интернет-конференция в Брянске «Лес-2015 г.» и др.

Результаты диссертационного исследования в виде математических моделей и программ для ЭВМ, а также новых технических решений, защищенных патентами РФ, используются в ОАО «ЦОКБлесхозмаш», «Управлении лесного хозяйства Воронежской области», ТОГАУ «Челнавский лесхоз» Тамбовской области, ТОГАУ «Цнинский лесхоз»

Тамбовской области, ТОГАУ «Тамбовский лесхоз» Тамбовской области, ТОГАУ «Го-рельский лесхоз» Тамбовской области, Учебно-опытном лесхозе ВГЛТУ, ООО «Теллер-мановский лес», ОАО «ВОРОНЕЖСЕЛЬМАШ» (г. Воронеж), СГБОУ ВО «Воронежский лесопожарный центр», а также в учебном процессе ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф Морозова» и ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени Императора Петра I» при подготовке бакалавров и магистров.

Публикации. Результаты исследования отражены в 55 научных работах общим объемом 53,5 усл. печ. л. (доля автора – 38.6 усл. печ. л.), включая 2 монографии (доля автора – 9.7 усл. печ. л.), 7 патентов на изобретения (доля автора – 2.2 усл. печ. л.), 6 свидетельств об официальной регистрации программы для ЭВМ (доля автора – 2.4 усл. печ. л.), 15 статей в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России (доля автора – 8.8 усл. печ. л.), а также в 2 статьях в журналах базы данных Scopus (доля автора – 0.3 усл. печ. л.). Автором единолично опубликовано 14 статей.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие на всех этапах работы: обосновании актуальности темы, формулировании цели и задач исследования, выборе и разработке новых математических моделей и методов их реализации, составлении программ проведения лабораторных и полевых экспериментов, анализе полученных теоретических и экспериментальных данных, разработке и внедрении рекомендаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, шесть разделов, заключение, список литературы и приложения; содержит 348 странниц, из которых 264 основного текста и 84 приложений, 108 иллюстраций, 17 таблиц и список литературы из 290 наименований использованных источников, включая 19 на иностранных языках.