На правах рукописи
Обоснование параметров активных рабочих органов машины для агротехнического ухода за лесными культурами на вырубках
Специальность 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Воронеж 2008
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Воронежская государственная лесотехническая академия" (ВГЛТА)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
доктор технических наук, профессор
Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-
исследовательский институт
агролесомелиорации /ВНИАЛМИ/
Защита диссертации состоится "26" декабря 2008г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при Воронежской государственной лесотехнической академии ( , зал заседания – аудитория 240)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии.
Автореферат размещен на официальном сайте академии: E-mail: *****@
Автореферат разослан 24 ноября 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Общая характеристика работы
Актуальность темы.
В соответствии с лесным кодексом РФ необходимым условием для успешного выращивания лесных культур является агротехнический уход за ними. Агротехнический уход проводится в целях предотвращения зарастания поверхности почвы сорной травянистой и древесно-кустарниковой растительностью, накопления влаги в почве и т. п.
Для механизации агротехнических уходов за культурами на вырубках в настоящее время применяются различные средства механизации, такие как дисковые орудия, фрезерные машины, тракторные кусторезы и др.
Дисковые плуги и бороны хорошо измельчают поросль и заделывают ее на определенную глубину, но очень энергоемки и требуют двукратного прохода в перекрестных направлениях.
Для обработки почвы в междурядьях лесных культур на вырубках с одновременным уничтожением поросли и корней, применяются фрезерные культиваторы, которые обеспечивают хорошее качество рыхления почвы, измельчение и заделку травянистой растительности. Однако они обладают недостаточной надежностью при встречах с препятствиями из-за поломок ножей, карданных валов и других элементов механического привода, а также отличаются большой энергоемкостью рабочего процесса.
В условиях вырубок тракторные кусторезы с активными рабочими органами в виде цилиндрических фрез, дисковых и цепных пил также не полностью отвечают необходимым требованиям по уходу за лесными культурами, так как срезают поросль на высоте 0.4-0.5 м, вследствие чего происходит ее достаточно быстрое возобновление, а их механический привод недостаточно надежен.
Поэтому возникает необходимость создания комбинированных орудий для срезания поросли на уровне корневой системы и одновременной дополнительной обработки почвы за один проход агрегата. Наиболее перспективными для этих целей являются инерционно-рубящие рабочие органы с гидроприводом, закрепленные на горизонтальном приводном валу с помощью гибких связей.
Однако известные теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов машин с активными рабочими органами недостаточно описывают их взаимодействие с почвой и верхней частью корневых систем поросли, а также динамические процессы в гидроприводе.
Целью работы является повышение эффективности агротехнических уходов за лесными культурами на вырубках за счет обоснования основных параметров рабочих органов активного действия, обеспечивающих уничтожение поросли малоценных пород с одновременной дополнительной обработкой почвы.
Объектом исследования являются активные рабочие органы с чашечным, грибовидным, тарельчатым и комбинированным ножами; гидропривод рабочих органов; верхние части корневых систем поросли, почва.
Предмет исследований. Взаимодействие активных рабочих органов с почвой и верхней частью корневой системы поросли и динамика гидропривода.
Методы исследований. Научные исследования проводились при помощи методов: дифференциального и интегрального исчислений, аналитической геометрии, теоретической механики, имитационного моделирования. Обработка результатов измерений производилась методами математической статистики с применением современных средств вычислительной техники. Достоверность результатов научных исследований подтверждается апробацией на предприятии лесного комплекса и использованием рекомендаций конструкторскими организациями при разработке машин с комбинированными активными рабочими органами.
Научная новизна.
1 Новая конструктивно-технологическая схема машины с гидроприводом инерционно-рубящих рабочих органов, подтвержденная патентом на полезную модель № 000, отличающаяся тем, что рабочий орган включает ряд комбинированных ножей, установленных на горизонтальном валу посредством упругих гибких связей, для срезания поросли на уровне верхней части корневой системы с одновременным фрезерованием почвы.
2 Разработана математическая модель рабочих процессов машины, отличающаяся учетом влияния параметров активных рабочих органов, биометрических и физико-механических свойств поросли на работу машины.
3 Закономерности взаимодействия рабочих органов машины, отличающиеся учетом динамических параметров гидропривода и оценкой энергоемкости работы ножей различной конфигурации.
4 Рекомендации по технологии удаления поросли, отличающиеся повышением качества ее удаления, снижением энергоемкости и повышением экономической эффективности.
Значимость для науки заключается в установлении влияния конструктивных и технологических параметров рабочих органов на процесс удаления поросли при работе на вырубках; получении математической модели рабочих процессов машины; разработке новой конструкции рабочего органа, новизна которого подтверждена патентом на полезную модель № 000.
Практическая ценность работы состоит в разработке конструкции машины для агротехнического ухода за лесными культурами и обосновании основных параметров новых рабочих органов, обеспечивающих повышение эффективности уничтожения поросли малоценных древесных пород и снижение энергоемкости рабочего процесса.
Научные положения, выносимые на защиту:
1 Конструкция активных рабочих органов машины для агротехнического ухода, позволяющая повысить эффективность уничтожения поросли малоценных древесных пород;
2 Математическая модель рабочих процессов машины, позволяющая обосновать параметры активных рабочих органов с учетом влияния биометрических и физико-механических свойств поросли на работу машины;
3 Закономерности взаимодействия рабочих органов машины с почвой и порослью, позволяющие учитывать динамические параметры гидропривода и оценить эффективность и энергоемкость работы ножей различной конфигурации;
4 Рекомендации по технологии удаления поросли, позволяющие повысить качество ее удаления, снизить энергоемкость и повысить экономическую эффективность.
Достоверность полученных результатов. Выводы диссертационной работы базируются на результатах фактического материала, полученного при проведении лабораторных и полевых испытаний. В ходе проведения лабораторных исследований учитывались плотность, влажность, порода и биометрические показатели поросли. Полученные данные обрабатывались методом математической статистики с использованием программ Microsoft Excel 2003, MathCad 11 и Statistica 5.5 для персонального компьютера.
Личное участие автора заключается в определении целей и задач работы, в выполнении научно-технических исследований и анализа их результатов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии ( гг.), Петрозаводского государственного университета (2005 г.), Северо-Кавказского государственного технического университета (2007 г.), Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии (2008 г.), а также заседаниях кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии.
Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 8 работах, включая 1 статью в издании центральной печати рекомендованного ВАК Федерального агентства по образованию РФ, 3 публикации без соавторов и 1 патент на полезную модель.
Реализация работы. Разработанная машина для агротехнического ухода за лесными культуррами, а также результаты научных исследований были внедрены в ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации», », ГОУ ВПО "Воронежская государственная лесотехническая академия",.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений.
Общий объем работы на 187 страницах машинописного текста, включающего 155 страниц основного текста, 31 таблица, иллюстрировано 77 рисунками.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение. Обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы и научные положения, выносимые на защиту, научная новизна выполненных исследований, их практическая значимость, результаты внедрения.
В первом разделе проведен анализ исследований способов и технических средств для удаления нежелательной растительности на вырубках. Проведен обзор исследований параметров машин для обрезки крон деревьев. Сформулированы задачи исследований.
Вопросами механизации подготовки почвы и последующих агротехнических и лесоводственных уходов на вырубках занимались такие учёные, как , , , и др.
Анализ исследований по резанию лесных почв на нераскорчеванных вырубках, заросших пневой и корневой порослью проводили такие ученые, как , , Селезнев К. И., , и другие, подтверждает наличие еще многих нерешенных вопросов как в области научной разработки, так и практического их разрешения для конкретных условий. В частности, недостаточно исследованы параметры ножа при операции одновременной обработки почвы и удаления нежелательной растительности применительно к технологическому процессу взаимодействия рабочего органа машины для агротехнического ухода с почвой и порослью.
Анализ данных работ показывает, что при выращивании культур на вырубках наиболее широко применяется коридорный метод. При создании лесных культур на вырубках по этому методу значительно упрощается последующий лесоводственный уход за насаждениями и обеспечивается: механизированное удаление поросли мягколиственных пород, сохранность ценных сопутствующих пород, достижение необходимой освещенности для хорошего роста культур.
Существующие конструкции машин для ухода за лесными культурами не способны срезать поросль на уровне верхней части корневой системы, вследствие чего происходит ее достаточно быстрое возобновление. Теоретических исследований работы активных рабочих органов, срезающих древесную растительность на глубине 5-6 см, проведено в недостаточном количестве.
Анализ литературных и патентных материалов показывает, что совершенствование конструкции машин для ухода за лесными культурами идет по пути оптимизации технологических и конструктивных параметров новых рабочих органов с учетом ресурсосберегающих технологий, позволяющих более эффективно использовать рабочие органы для данной цели.
В связи с этим поставлены следующие задачи исследований:
- обосновать новую конструктивно-технологическую схему машины с гидроприводом активных рабочих органов;
- исследовать динамику рабочих процессов, выявить закономерности влияния параметров активных рабочих органов, гидропривода, биометрических и физико–механических свойств поросли на работу машины;
- получить в лабораторных условиях экспериментальные зависимости взаимодействия активных рабочих органов машины с почвой и порослью, динамики гидропривода и оценки энергоемкости работы ножей различной конфигурации;
- обосновать рациональные параметры рабочего процесса экспериментального образца машины, обеспечивающие эффективность уничтожения поросли с минимальными энергозатратами.
Во втором разделе приводится: обоснование конструктивно-технологической схемы машины для агротехнического ухода за лесными культурами на вырубках, разработка теоретических зависимостей динамических процессов в гидроприводе машины и модель процесса взаимодействия режущих элементов активного рабочего органа со средой.
Одним из эффективных и перспективных способов обработки почвы на нераскорчеванных вырубках является обработка, сочетающая рыхление почвы и удаление поросли малоценных мягколиственных пород в одной технологической операции. Этот способ позволяет устранить удаление гумусового горизонта за пределы обрабатываемой полосы и сохранить его в зоне посадки лесных культур, что позволит улучшить их приживаемость и рост. В наибольшей мере этому требованию отвечает предлагаемая нами машина для ухода за лесными культурами (рисунок 1). Рабочий орган данной машины представляет собой ножи, прикрепленные гибкими связями к валу, фрезерует почву на глубину 4...8 см, а также уничтожает поросль, перерубает мелкие корни, а с крупных сбивает кору вместе с почками, из которых возможно возобновление поросли (рисунок 2). Почвенно-растительная масса интенсивно крошится, перемешивается и отбрасывается назад. При этом из-за разных аэродинамических свойств поросли и почвы большая часть растительных остатков будет оказываться на поверхности почвы, что приведет к их высыханию. Для предотвращения перебрасывания почвы через барабан сверху него установлен кожух. В случае встречи с препятствием гибкие связи, непосредственно контактирующие с ним, отклоняются и огибают его, другие ножи в это время не теряют контакт с почвой.
|
|
* - лесные культуры; ○ - поросль
Рисунок 1 – Схема взаимодействия почвообрабатывающей машины с обрабатываемой
поверхностью
Рисунок 2 - Рабочий орган машины для ухода за лесными культурами (патент на полезную модель № 000) 1 – горизонтальный вал; 2 – кронштейн; 3 – гибкая связь; 4 –комбинированный нож; 5 – втулка; 6 – пружина; 7 – упорная концевая шайба; 8 – стакан; 9 – полуось.
При обработке почвы, насыщенной древесными включениями на нераскорчеванных вырубках, процесс фрезерования сопровождается ударными нагрузками на рабочие органы. Вследствие высоких окружных скоростей рабочих органов динамические нагрузки могут достигать больших величин.
Критерии, определяющие влияние на сопротивление разрушения корней, зависят от трех групп факторов: формы рабочих органов (геометрические размеры и расположение режущих элементов); параметров грунтово-древесной среды, таких как физико-механические свойства почвы и древесины; способа резания.
Специфические условия технологического процесса лесных машин должны быть учтены при обосновании параметров гидропривода и режимов его работы.
Для описания работы машины с гибкими активными рабочими органами, с гидроприводом составлена система дифференциальных уравнений в условиях взаимодействия с лесной почвой, насыщенной корневыми системами поросли:
, (1)
где P – давление рабочей жидкости, Па; Kp – коэффициент податливости упругих элементов гидропривода, м3/Па; qн – рабочий объем насоса, м3/об; qм – рабочий объем гидромотора, м3/об; nн – угловая скорость вращения насоса, с-1; ω – угловая скорость вращения вала гидромотора, с-1; ay – коэффициент утечек, м3/(с∙Па); ηп – полный КПД гидромотора; qm - удельный объем гидромотора, м3/об; η0 – объемный КПД гидромотора; Rф – радиус фрезерования, м; λ – кинематический параметр, равный отношению λ = Vокр/Vn; Vокр – окружная скорость барабана, м/с; Vn – скорость агрегата, м/с; z – число ножей в одной секции барабана; a – глубина фрезерования, м; n – коэффициент динамичности, определяемый опытным путем.
Решение системы уравнений получено в следующем виде:
(2)
Результаты решения представлены в виде графиков зависимостей давления рабочей жидкости от времени процессов разгона и резания машиной (рисунок 3), полученные с помощью ЭВМ.
Рисунок 3 – График изменения давления в гидроприводе машины при фрезеровании почвы, насыщенной корневыми системами
В результате анализа теоретических зависимостей установлено, что при изменении ударной нагрузки Pуд от 0,3 до 1,5 кН для одной секции рабочих органов давление рабочей жидкости увеличивается примерно в 2,5 раза с 0,7 до 1,7 МПа, а также его скачки являются более продолжительными как по амплитуде, так и по времени.
Для определения силы перерезания корневых систем поросли в зависимости от типа рабочего органа, биометрических и физико-механических свойств корней нами была разработана теоретическая зависимость их взаимодействия. В момент начала резания критическая сила Pкр, приложенная к ножу, должна преодолеть сумму всех сил, действующих в горизонтальном направлении:
. (3)
где E – модуль упругости, Па; J – полярный момент инерции поперечного сечения, у основания корня стволика J=pd4/64, м4; 
- скорость резания, м/с; ∆t – время удара, с; Н – высота поросли, м; m – масса поросли приведенной к точке удара, кг; Pп - реакция почвы, Н; b – ширина режущей кромки рабочего органа, м; sр –предел прочности на перерезание определённый нами экспериментальным путем, МПа; dсжх – расстояние x от вершины лезвия, м; d – диаметр поросли, м; dсж – расстояние от вершины лезвия до поросли, м; b - угол наклона фаски лезвия, рад; f – коэффициент трения массы о материал лезвия; m – коэффициент Пуассона.
По полученной теоретической зависимости были построены графики зависимости силы резания древесно-кустарниковой растительности.
Из рисунка 4 видно, что с увеличением угла заточки лезвия β от 25° до 35° сила резания поросли возрастает с 125 до 205 Н при резании поросли диаметром 5 мм и с 380 до 640 Н при резании поросли диаметром 25 мм.
Рисунок 4 – Зависимость силы резания от диаметра корней (1 – b=0,012 м, b=25°; 2 – b=0,012 м, b=35°; 3 – b=0,002 м, b=25°; 4 – b=0,002 м, b=35°)
В соответствии с рисунком 5 можно сделать вывод, что уменьшение угла заточки режущего элемента оказывает большее влияние на силу резания, чем уменьшение толщины режущего элемента. Сила резания снижается примерно на 200 Н.
Рисунок 5 – Зависимость силы резания корней от угла заточки ножа (1 – d=1 см, b=0,012 м; 2 – d=2 см, b=0,012 м; 3 – d=1 см, b=0,002 м; 4 – d=2 см, b=0,002 м) при диаметре рабочего органа 0,5 м
Из рисунка 6 видно, что при резании поросли с углом заточки рабочего органа b, превышающем 45° сила резания поросли начинает заметно возрастать с 690 до 1400 Н при резании поросли диаметром 10 мм, и с 1340 до 2700 Н при резании поросли диметром 20 мм.
Рисунок 6 – Зависимость силы резания от напряжения изгиба, сообщаемого поросли (b=0,012 м; b=35°) при диаметре поросли 1 – d=0,8 см; 2 – d=1,6 см; 3 – d=2,5 см
В соответствии с рисунком 6, можно сделать вывод, что диаметр поросли оказывает значительное влияние на изменение силы резания поросли. Так, сила резания при напряжении изгиба 1,2 МПа, возникающем в стволе поросли диаметром 0.8 см, примерно в 6 раз меньше, чем поросли диаметром 2,5 см, и достигает 34 кН.
В третьем разделе изложена программа экспериментальных исследований, применяемое оборудование и методика проведения исследований.
Разработанная лабораторная установка смонтирована на передвижной тележке почвенного канала. На раме 2 смонтирован гидромотор 8, вал которого жёстко соединён с ротором 10, на котором в свою очередь крепятся сменные гибкие рабочие органы 11. Гидромотор приводится во вращение с помощью гидросистемы тракторной тележки, которая подаёт рабочую жидкость в трубопроводы 5, соединенные с гидромотором штуцерами. Для изменения глубины обработки почвы на раме 2 установлены опорные колеса 9. Для предотвращения перебрасывания почвы и поросли через барабан на раме 2 закреплен кожух 6, на котором установлена пластина, предназначенная для пригибания поросли к рабочим органам.
Рисунок 7 – Общий вид лабораторной установки для исследования динамики гидропривода машины для агротехнического ухода
В четвертом разделе приведены результаты исследований таксационных показателей и физико-механических свойств поросли, а также энергоемкости процесса резания.
Проведение исследований таксационных показателей поросли позволило установить, что в среднем на 1 м2 в первый, второй и третий год после проведения вырубки приходится соответственно 14,0, 14,5, 15,5 шт. поросли, их высота составляет соответственно 1,53, 2,00, 2,49 м. Так как по технологии осветления срезание необходимо проводить ниже поверхности почвы, то был статистически вычислен средний диаметр поросли на глубине 0,02 м и 0,05 м, который в первый, второй и третий год после проведения вырубки составлял, соответственно – 1,33 см, 1,75 см, 2,29 см и 1,02, 1,33, 1,76 см. После проведения исследований физико-механических свойств поросли были экспериментально установлены зависимости необходимой силы для перерезания от диаметра корней и стволиков поросли, которые носят экспоненциальный характер, и при значениях диаметра D=5…25 мм достигают соответственно значений Pрез. кор.=88,6…1487,9 Н, Ррез. ств.=54,9…1637,4 Н. Среднее значение предела прочности при перерезании поперёк волокон свежесрубленной поросли по нашим данным составляет: стволиков – t64%=3,3 МПа, корней - t64%=3,34 МПа.
На рисунке 8 показана зависимость необходимой силы для перерезания корней поросли, а на рисунке 9 для перерезания стволиков поросли от их диаметра.
Рисунок 8 – Зависимость максимальной силы Рисунок 9 – Зависимость максимальной силы
перерезания, от диаметра корня поросли перерезания, от диаметра стволиков поросли
В соответствии с рисунками 8 и 9, можно сделать вывод, что при диаметре стволиков выше 10 мм требуется большая сила перерезания поросли, чем для резания корней. При диаметре же менее 10 мм наблюдается обратная зависимость. Это можно объяснить тем, что чем меньше диаметр поросли, тем меньше её возраст, а значит и её древесина является менее сформировавшейся, при этом в данном возрасте корни имеют меньшую плотность, что также сказывается на силе перерезания, поэтому сила перерезания такой поросли тоже будет меньше.
В результате проведения экспериментов получены осциллограммы изменения давления в гидроприводе во время процесса резания. На рисунке 10 представлен график для частоты вращения вала ротора 540 мин-1. На этом графике хорошо видны всплески давления, характеризующие гидравлические удары, возникающие при включении двигателя и срезании поросли разных диаметров.
Рисунок 10 – Изменение давления при срезании поросли чашечным ножом при частоте вращения вала гидромотора 540 мин-1.
Далее была сделана выборка пиковых значений давления в гидроприводе при частоте вращения ротора гидромотора 540 мин-1, для различных диаметров поросли применительно к каждому типу рабочих органов. На основании данного статистического материала проведен расчет энергоемкости процесса резания. Рассмотрим характер изменения давления при срезании поросли диаметром 20 мм чашечным ножом, (рисунок 11). Как видно из этого рисунка, всплески давления развиваются по синусоидальному закону.
Таким образом, получили функциональную зависимость с входящими параметрами – давление холостого хода, время всплеска и частота фиксирования давления. Тогда для нахождения работы резания необходимо вычислить интеграл от найденной функции, пределами которого являются начальный и конечный момент времени всплеска давления. Полученные значения работы резания в зависимости от диаметра поросли и типа рабочего органа приведены в таблице.
Рисунок 11 – Кривые изменение давления, полученные экспериментальным путём и на основании эмпирической формулы
Таблица – Энергоёмкость работы четырёх типов рабочих органов при глубине резания почвы 4 см
Диаметр корня, мм | Мощность резания для соответствующего типа рабочего органа, Вт | |||
чашечный | грибовидный | тарельчатый | комбинированный | |
10 | 1126 | 1220 | 906.9 | 1345 |
15 | 2502 | 2345 | 3127 | 2408 |
20 | 3972 | 3534 | 4065 | 4191 |
25 | 6255 | 5973 | 6943 | 7756 |
Из данной таблицы следует, что при срезании тонкой поросли диаметром до 10 мм все четыре типа рабочих органов потребляют мощность, колеблющуюся от 0,91 до 1,35 кВт. При срезании поросли характер среза у всех четырёх рабочих органов примерно одинаков и представляет собой разрыв поросли в одном месте контакта.
При срезании поросли диаметром 15 мм и более происходит увеличение мощности в 2-2,5 раза, что объясняется увеличением диаметра как стволиков так и корней срезаемой поросли.
На рисунке 12 приведен экспериментальный график зависимости давления рабочей жидкости от диаметра поросли, глубины рыхления почвы и угла заточки ножа.
Рисунок 12 – График изменения давления рабочей жидкости при диаметре поросли 1 см, глубине рыхления почвы 8 см и угле заточки ножа 40°
В результате расчетов, согласно методики планирования эксперимента с использованием Microsoft Excel XP получено следующее уравнение регрессии второго порядка в кодированном виде:
, (4)
где x1 – диаметр поросли, см; x2 – глубина обработки почвы, см; x3 – угол заточки рабочего органа, град.
На рисунке 13 изображена поверхность, описываемая полученным уравнением регрессии.
Рисунок 13 - Зависимость давления рабочей жидкости от угла заточки ножа и диаметра поросли
Как видно из рисунка 13, при увеличении диаметра поросли происходит линейное увеличение давления. Анализ графиков показывает, что зависимость давления от угла заточки ножа - квадратичная, а от диаметра поросли - линейная. По результатам оптимизации проведенной с помощью программы Borland Delphi 7 было установлено, что минимальное давление рабочей жидкости в гидроприводе машины для агротехнического ухода за лесными культурами наблюдается при угле заточки ножа, равном 35°, диаметре режущей кромки 106 мм, длине рабочего органа R=0,5 м.
В пятом разделе дается описание экспериментального образца машины для агротехнического ухода за лесными культурами и экономическая оценка эффективности его работы.
Предлагаемая нами конструкция машины для агротехнического ухода за лесными культурами включает в себя раму, состоящую из несущей 1 и опорной 2 балки, гидромотор 3, ротор 4 с гибкими рабочими органами 5, защитный кожух 6 с прикрепленной к нему приемно-пригибающей пластиной 7, опорные колеса 8 и механизм навески 9. Трубопроводы 10 подсоединены к гидросистеме трактора 11 (рисунок 14).
Рисунок 14 – Опытный образец машины с гибкими рабочими органами, навешенный на трактор ЛТЗ-60
Конструкция рабочих органов машины для агротехнического ухода защищена патентом на полезную модель № 47611. Приемно-пригибающая пластина повышает эффективность работы машины при срезании поросли диаметром 2…3 см, так как она способствует инерционному подпору поросли, и древесно-кустарниковая растительность оказывается зажата между пластиной и ударяющим ее рабочим органом, в результате чего происходит ее срезание.
Полевые исследования работы машины для агротехнического ухода за лесными культурами проводились при постоянной скорости движения трактора, равной 3,2 км/ч, и постоянной частоте вращения ротора 540 мин-1 для четырех типов рабочих органов.
В результате полевых исследований выявлено, что степень срезания рабочим органом – чашечным ножом, составляет для вырубки двух - и трехгодичной давности, соответственно, 93,3 % и 86.25 %. Степень срезания рабочим органом тарельчатым ножом составила, соответственно, 90,25 % и 84,25 %, грибовидным ножом – 96,92 % и 92.5 %, а комбинированным ножом – 98,7% и 95,0 соответственно при скорости движения трактора 3,2 км/ч. При этом основная масса разрыхленной почвы (более 95%) имеет размер фракций от 0,6 до 10 мм, наиболее ценных в агрономическом плане. Таким образом, наибольший эффект наблюдался от применения грибовидных и комбинированных рабочих органов, оснащенных режущими втулками, и приемно-пригибающего устройства при срезании поросли на вырубке двухгодичной давности. Экономический эффект от применения машины в агрегате с трактором ЛТЗ-60 составил 25170,05 р., при сроке окупаемости 2,23 года.
Общие выводы и рекомендации
1. Разработана конструктивно-технологическая схема машины для агротехнического ухода за лесными культурами с активными рабочими органами. Новизна конструкции рабочих органов подтверждена патентом на полезную модель № 000, которая за один проход осуществляет дополнительную обработку почвы и удаление древесно-кустарниковой растительности.
2. Разработана математическая модель взаимодействия рабочего органа с обрабатываемой средой и динамических процессов в гидроприводе машины, с учетом параметров рабочего органа и физико-механических свойств поросли, которая позволила установить, что
- уменьшение ширины режущего элемента оказывает большее влияние на снижение силы резания, чем уменьшение угла заточки этого элемента. Так, для поросли d=2 см, при ширине режущей кромки b=1,2 см, угле заточки b=20°, сила резания Pрез=320 Н; при b=1,2 см, b=30°, Pрез=540 Н; при b=0,5 см, b=20°, Pрез=520 Н; при b=0,5см, b=30°, Pрез=670 Н;
- при срезании поросли диаметром 0.4 см рабочим органом толщиной 0.5 см, с углом заточки 35°, при изменении глубины срезания от 4 до 15 см, напряжения изгиба возрастают в 1.5 раза достигая значения 5 МПа;
- пределы прочности на перерезание стволиков и корней поросли составили соответственно t64%=3,3 МПа, s64%=3,34 МПа.
3. В результате лабораторных исследований установлена энергоёмкость одной секции с тремя типами рабочих органов: при диаметре поросли осины 2 см мощность резания составила с чашечными ножами Рэ1=3972 Вт, грибовидными ножами Рэ2=3534 Вт, с тарельчатыми ножами Рэ3=4065 Вт. Мощность резания с комбинированными ножами составляет 4191 Вт. Для восьми секций с шириной захвата 1 м мощность резания составит примерно 33,6 кВт.
4. Определены оптимальные параметры рабочих органов с учетом геометрических размеров режущих элементов, биометрических и физико-механических свойств поросли, параметров гидропривода. Оптимальными параметрами комбинированного рабочего органа по результатам многофакторного эксперимента являются:
- чашечный нож: диаметр режущей кромки – 80 мм, угол заточки – 30°, толщина режущей кромки – 2 мм, номинальный крутящий момент 105 Н∙м, длина рабочего органа 0,5 м;
- грибовидный нож: диаметр режущей кромки 106 мм, угол заточки – 35°, толщина режущей кромки – 2 мм, номинальный крутящий момент 105 Н∙м, длина рабочего органа 0,5 м.
5. Полевые исследования экспериментального образца машины для агротехнического ухода показали, что оптимальным типом рабочего органа является комбинированный нож, степень срезания которого с приемно-пригибающим устройством составляет для вырубки двух- и трёхгодичной давности соответственно 98,7% и 95,0% соответственно при скорости движения трактора 3,2 км/ч. Основная масса разрыхленной почвы (более 95 %) имеет размер фракций от 0,6 до 10 мм, наиболее ценных в агрономическом отношении.
6. Экономический эффект от внедрения в производство экспериментального образца машины для ухода за лесными культурами составляет 25170,05 р., при сроке окупаемости 2,23 года.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованых ВАК
1. Пономарев, динамических процессов ротационной машины с инерционно-рубящими рабочими органами [Текст] / , // Известия Вузов. Северо-Кавказский регион. Математическое моделирование и компьютерная оптимизация технологий. Технические науки. – 2007. – № 5. – С. 27-28.
Патенты
1. Пат. № 000 МПК А01В 33/02 А. Рабочий орган машины для ухода за лесными культурами [Текст] / , , ; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. - № /22; заявл. 08.02.2005; опубл. 10.09.2005, Бюл. № 25. – 1 с.
Статьи и материалы конференций
1. Гончаров, рабочих процессов гидропривода ротационной машины для уничтожения поросли на вырубках / , ёв // Труды лесоинженерного факультета ПётрГУ – Петрозаводск, 2005. – Вып. 5. – С. 34-37.
2. Гончаров модель рабочего процесса машины бойкового типа для уничтожения поросли [Текст] / , , // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления / ВГЛТА. – Воронеж, 2005. – Вып. 10. – С. 47-54.
3. Пономарёв, исследования динамики гидропривода машины бойкового типа для уничтожения нежелательной поросли на нераскорчёванных вырубках [Текст] / // Лес. Наука. Молодежь 2006: Сборник материалов по итогам научно-исследовательской работы молодых учёных за 2005–2006 г. – Воронеж: ВГЛТА, 2006. – С. 272–275.
4. Гончаров, параметров ротационной машины для уничтожения поросли на вырубках при лесовосстановлении [Текст] / , , // Сборник статей по материалам международной науч.-практ. конференции "Наука и образование на службе лесного комплекса" Т. 2. Воронеж: ВГЛТА, 2005. – С. 59-62.
5. Гончаров, ротационной машины для удаления нежелательной растительности и обработки почвы [Текст] / , , // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления / ВГЛТА. – Воронеж, 2006. – Вып. 11. – С. 8-13.
6. Пономарев, модель процесса взаимодействия режущих элементов инерционно-рубящего рабочего органа с порослью [Текст] / // 70 лет кафедре механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии / ГОУ ВПО ВГЛТА. – Воронеж, 2007. – С. 170-175.
7. Пономарев, машина с инерционно-рубящими рабочими органами для ухода за лесными культурами [Текст] / // Наука и молодежь: новые проблемы и решения. Материалы II Международной научно-практиченской конференции молодых исследователей, г. Волгоград, 14-16 мая 2008 г. В 2-х частях. Часть 2. – Волгоград: ИПК ФГОУ ВПО ВГСХА «Нива», 2008. – С. 214-216.
Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.034.02 или выслать ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу , Воронежская государственная лесотехническая академия, ученому секретарю.
Тел. 2-40,
Обоснование параметров активных рабочих органов машины для агротехнического ухода за лесными культурами на вырубках
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано к печати 21.11.2008 г. Заказ №
Объем – Усл. п. л. Тир. 100 экз.
Типография Воронежского ЦНТИ
г. Воронеж, пр. Революции, 30
