CC BY
45
УДК 630*232.211
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА КОРЧЕВАНИЯ ПНЕЙ НА ГАРЯХ МЕХАНИЗМОМ С ГИДРОПУЛЬСАЦИОННЫМ ПРИВОДОМ П. И. Попиков, Р. В. Юдин, И. А. Никифоров, И. С. Шестаков
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
popikovpetr@yandex.ru
Корчевание пней является энергоемкой операцией при проведении лесохозяйственных работ. Для удаления пней на вырубках применяются разнообразные рычажные корчеватели (КМ-1А, МРП-1,5 и др.) фрезерные машины (МУП-4, МДП-1,5 и др.), а также сменное технологическое оборудование к экскаваторам. На гарях и мелколесье эти машины использовать не целесообразно из-за их высокой энергоемкости и металлоемкости. На кафедре механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской лесотехнической академии разработан механизм с гидро-пульсационным приводом для корчевания пней на гарях на базе колесного трактора класса 1,4 кН.
Механизм содержит раму с несущими брусьями 1 и присоединительным треугольником 2 для навешивания на трактор, вертикальные стойки 3 с закрепленными на них подрезающим рабочим органом в виде полукруглой скобы с верхней заточкой режущей кромки 4 и полуковша 5 в задней его части (рис.1). Вертикальные стойки 3 и рабочий орган 4 образуют двуплечий рычаг, который может поворачиваться гидроцилиндрами 6 полости кото-
рых соединены с гидропульсатором 14. Несущие брусья 1 выполнены консольными с опущенными концами и упором. Они снабжены шарнирами 7 крепления вертикальных стоек и опорами 8, размещенными под шарнирами с нижней стороны несущих брусьев. Механизм имеет трубчатый ограничитель 9, закрепленный на вертикальных стойках 3. Нижняя кромка лезвия рабочего органа 4 в исходном I и II положениях расположена на уровне или ниже опорной поверхности О-О.
Механизм работает следующим образом. Трактор с навешенным оборудованием двигается в направлении V. Оборудование при этом находится в приподнятом положении, а рабочий орган 4 - в исходном положении I.
После подхода рабочих органов 5 к почве запорный вентиль 12 закрывается и включается пульсатор 14, который обеспечивает колебательные движения штоков гидроцилиндров за счет пульсирующего давления рабочей жидкости, а следовательно, с вертикальными стойками 3 и рабочими органами 5. За счет вибрации рабочих органов 5 происходит снижение рабочего сопротивления подрезки корней пней.
а
Рис. 1. Технологическая (а) и гидрокинематическая (б) схемы механизма для корчевания
пней
С целью обоснования и оптимизации основных параметров была разработана математическая модель процесса работы механизма для корчевания пней. Уравнение моментов действующих сил на рабо-
чий орган и шток гидроцилиндра относительно точки О имеет вид
^ 2
^М 0 = ^Ши^ _ ^рез^ _ ^ПР~(М^ = 0,(1)
где Ршт - усилие на штоке гидроцилиндра, Н;
h - плечо силы Ршт, м;
Ррез - сила сопротивления перерезанию корня, Н;
R - плечо силы Ррез , м;
Jпр - приведенный момент инерции
подвижных элементов к точке О,
2
кг-м ;
Ф - угол поворота вертикальной стойки от горизонтали, рад.
Из уравнения моментов имеем:
d 2ф dt2
пр
Р h - Р R
шт рез ’
(2)
где h=/siny; у=180°-ф, h=/sm(180°-ф).
Так как гидропульсатор работает по синусоидальному закону, то изменение величины усилия на штоке гидроцилиндра можно выразить зависимостью [2]
Ршт = ^ [Р0 + Рт SІn(2Ф + ^)] где р0 - давление в гидроприводе предохранителя при включенном гидропульсаторе, Па;
рт - амплитудное значение давления, развиваемое гидропульсатором, Па;
/ и ц - частота и начальная фаза пульсации давления в гидроцилиндре;
8п - рабочая площадь гидроцилиндра,
2
м:
4
Уравнение расходов жидкости имеет
вид:
2 - 2 + 2у +
Он - Чнпн
2 - Ф2 - €) к
(3)
(4)
4
0у = Рау ,
о = каР
0деф = р Ж 9
где 0н - расход рабочей жидкости в насосе, м3/с;
0ц - расход рабочей жидкости в гидроцилиндре, м3/с;
0у - расход на утечки, м3/с;
0деф - расход на деформацию упругих элементов гидропривода, м3/с;
^ - коэффициент, учитывающий упругие свойства гибких трубопроводов и рабочей жидкости; р - давление насоса, Н/м2; qн - объем насоса, м3/об; пн - частота вращения насоса, с-1 . Определяем скорость штока гидроцилиндра из следующего выражения:
(5)
ЧнПн
Тогда получим систему уравнений
№ -
4
Ж Ж
С учетом выражений (1-4) уравнение расходов жидкости примет вид
Жшт) Т/Г , ^ ^ Жр
Ж
Vшm + ауР + кр—.
(6)
Td2ф __ л(^ - dim ) sin(l80°- (P) [
dt2 4 ^
0 + Pm sin(2Ф + v)]- Ppe3R
лІ)ц dy dp
qHnH ——— l+ ayp + kp—. н н 4 dt y p dt
(7)
Определим силу резания из выражения [1]
Ppeз — K1 ^еж ■ ^Сж ■ S + K2 ■ t ■ °p ■ Є + KЗ ^еж '°аж ■ D , (8)
где Kl, K2, K3 - удельные коэффициенты; t - толщина ножа;
а-сж - коэффициент влажности; e - величина затупления ножа;
Ос:ж - предел прочности на сжатие S - площадь подрезаемого сечения.
поперек волокон; Подставив выражение (б) в (5), полу-
D - диаметр перерезаемого пня; чим систему уравнений
. d2У л(^ - dim ) sin(180° - ф)
J
dt2
4
qнnн
°cж■S + K 2
+
^1 ■ «сж,
А(рЦ - ^т )
_ 4 dt
Таким образом, получена математическая модель вибрационного процесса корчевания пней, которая позволяет оптимизировать параметры механизма и снизить энергозатраты.
Библиографический список
1. Попиков П.И. Повышение эффективности гидрофицированных машин при лесовосстановлении на вырубках: моногр. / Воронеж: ВГЛТА, 2001. 156 с.
2. Попиков П.И., Юдин Р.В. Математическая модель рабочего процесса гидравлического пресса с гидропульсатором // Изв. вузов. Сев.-Кавк. Регион. Техн. Науки. Спецвыпуск. Математическое модели-
[P0 + Pm sin(2Ф + v)]-
^cж ®^ж D )’
(9)
Жр
аур+крЩ •
рование и компьютерные технологии. 2006.
3. Посметьев В.И., Посметьев В.В. Модель процесса вибрационного взаимодействия с почвой дисковых рабочих органов лесных орудий // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: сб. научн. тр. / ВГЛТА. Воронеж, 1999. Вып. 4. С. 5-9.
4. Бартенев И.М., Драпалюк М.В., Попиков П.И., Бухтояров Л.Д. Конструкции и параметры машин для расчистки лесных площадей: монография / М.: Флинта: Наука, 2007. 208 с.: ил.
