CC BY
58
УДК 630*237.1:631.312.87 В.Н. Коротких, В.П. Попиков, М.В. Драпалюк
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛЕСНОЙ МАШИНЫ С ГИДРОПРИВОДОМ ДИСКОВОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА
В данной статье приведены энергетические и качественные показатели лесного дискового плуга с приводом диска от гидромотора, оборудованного дополнительным отвалом.
Ключевые слова: машина, гидропровод, рабочий орган, моделирование.
V.N. Korotkih, V.P. Popikov, M.V. Drapaljuk
IMITATING MODELLING OF TECHNOLOGICAL PROCESS OF THE WOOD CAR WITH THE HYDRODRIVE OF
DISK WORKING BODY
In given article are resulted power and quality indicators of a wood disk plough with a drive of a disk from the hydromotor equipped with an additional sailing.
Key words: the car, a hydrowire, working body, modelling.
В лесном хозяйстве для проведения частичной обработки почвы на вырубках более целесообразно использовать плуги с дисковыми рабочими органами, которые способны преодолевать препятствия, перекатываясь через них. Они медленнее изнашиваются, чем лемешные плуги, более устойчивы к поломкам. Однако пласт почвы высоко поднимается по диску и укладывается на поверхность почвы вдоль образуемой борозды в виде отдельных кусков вместо сплошной ленты [1].
Целью работы является оценка влияния дополнительного отвала и принудительного вращения диска на качественные и энергетические показатели работы дискового плуга. В этой связи поставлены следующие задачи исследования:
1. Разработка новой конструкции комбинированного рабочего органа лесного плуга.
2. Проведение серии компьютерных экспериментов для оценки влияния принудительного вращения диска и дополнительного отвала на энергетические и качественные показатели работы плуга.
3. Разработка рекомендаций по выбору оптимальных режимов работы плуга.
Для улучшения качественных показателей технологического процесса авторами предложена новая конструкция комбинированного рабочего органа лесного плуга (рис. 1) [3].
/б
/
Рис. 1. Комбинированный рабочий орган лесного плуга:
1 - стойка; 2 - гидромотор; 3 - сферический диск; 4 - ступица; 5 - крыло отвала; 6 - консоль;
7 - кронштейн; 8 - листовая пружина
Сферический диск 3 приводится во вращение гидромотором 2, который закреплен на стойке 1. К рабочей поверхности диска посредством листовой пружины 8, прижато крыло отвала 5, которое шарнирно соединено с кронштейном 7, закрепленном на консоли 6. Пласт почвы, поднимаясь по диску, скользит по отвалу и укладывается вдоль борозды сплошной лентой.
Одним из преимуществ предлагаемого плуга по сравнению с серийными дисковыми плугами является принудительное вращение диска. На основе компьютерных экспериментов проведено сравнение энергетических и качественных характеристик плуга для трех разных случаев вращения диска плуга без отвала (табл. 1) [2].
Энергетические и качественные показатели лесного дискового плуга без отвала
Таблица 1
Характер вращения диска N1, кВт N3, кВт d, мм г
Диск застопорен (ы = 0) 3,71 0,45 279 0,61
Свободное вращение (ы = 90 град/с) 3,31 - 287 0,65
Принудительное вращение (ы = 240 град/с) 2,88 1,43 380 0,71
Как видно из таблицы 1, энергетические показатели оцениваются мощностью N1, затрачиваемой на поступательное движение плуга, которая находится в пределах 2,88...3,71 кВт, и мощностью N3, затрачиваемой на вращение диска, в пределах 0,45.1,43 кВт. Качественные показатели характеризуются величиной поперечного смещения пласта d в пределах 279.380 мм, а также коэффициентом оборачиваемости г, который имеет максимальное значение 0,71. В случае принудительного вращения показатель оборачиваемости пластов г на 6% больше по сравнению со случаем свободного вращения. Кроме того, принудительное вращение диска приводит к снижению на 15% мощности N1, затрачиваемой на поступательное движение. При этом дополнительные энергетические затраты за счет дополнительной мощности 1,43 кВт для вращения диска компенсируются повышением качества обработки почвы
На рисунке 2 представлены траектории движения частиц почвы по поверхности диска плуга при свободном вращении диска и принудительном, полученные при компьютерном эксперименте.
а
б
Рис. 2. Траектории движения частиц почвы: а - свободное вращение (ш = 1,6 с-1); б - принудительное вращение (ш = 6 с-1)
В направлении борозды (проекция Y-Z) при принудительном вращении частицы (рис. 2, б ) поднимаются выше и быстрее сходят с поверхности диска, при этом не происходит накапливания почвы на диске, что приводит к снижению энергозатрат на поступательное движение. Кроме того, при быстром удалении почвы с диска в меньшей степени происходит накапливание сорной растительности, которая может застре-
Вестник^КрасТЛУ. 2009. №5
вать между отвалом и поверхностью диска, дополнительно снижать качество обработки почвы и увеличивать энергозатраты. В поперечном к борозде направлении (проекция X-Z на рис. 2, б), благодаря дополнительному вращению диска, частицы отбрасываются на большие расстояния.
Вторым важным преимуществом предлагаемой конструкции плуга, по сравнению с серийной, является наличие дополнительного отвала. Компьютерные эксперименты показали, что оснащение плуга отвалом приводит к повышению качества обработки почвы (табл. 2).
Таблица 2
Энергетические и качественные показатели лесного дискового плуга с отвалом
Наличие отвала N1, кВт N3, кВт d, мм г
Плуг без отвала 2,88 1,43 380 0,71
Плуг оснащен отвалом 3,23 1,45 397 0,81
При оснащении плуга отвалом на 14% увеличивается оборачиваемость пласта г , которая достигает значения 0,81. Кроме того, на 4% увеличивается поперечное смещение пласта d. При этом общие затраты мощности N + N3) увеличиваются всего на 8,6%.
Дисковый плуг, оснащенный отвалом, вынуждает пласт двигаться по плавной винтовой траектории, вследствие чего пласт стремится сохранить свою сплошность и почти не разделяется на куски. Оснащение плуга отвалом приводит к улучшению профиля борозды, борозда становится чище и имеет более четкую округлую форму (рис. 3). Вырезанный пласт отбрасывается дальше и высота гребней уменьшается, благодаря чему правая стенка борозды является более пологой. Это уменьшает вероятность осыпания пласта обратно в борозду.
без отвала
с отвалом
Рис. 3. Профили борозды плуга без отвала и при оснащении плуга отвалом
Для определения оптимальных режимов рабочего процесса плуга была проведена серия компьютерных экспериментов, при которых угловую скорость вращения диска ы изменяли в положительную сторону от 0 до 12 с-1 с шагом 2 с-1 и в отрицательную сторону от 0 до -9 с-1 с шагом 2 с-1 . Получены зависимости влияния угловой скорости вращения диска ы на энергетические (а) и качественные (б) показатели обработки почвы (рис. 4).
Ж, к
* АП, с отвалом —■— АВ, с отвалом ...о— АП, без отвала АВ, без отвала
т-----------■----------г-
а
Рис. 4. Влияние угловой скорости вращения диска ш на энергетические (а) и качественные (б) показатели обработки почвы
Зависимость мощности Nb от угловой скорости имеет параболический характер, это обусловлено тем, что диск сообщает отбрасываемым частицам пласта кинетическую энергию, которая пропорциональна квадрату скорости частиц (рис. 4, а). При угловых скоростях выше 6 с-1 мощность Nb на вращение диска начинает превышать мощность Nn, затрачиваемую на поступательное перемещение плуга, что делает такой процесс невыгодным с энергетической точки зрения. Снижение мощности Nn на поступательное движение при увеличении угловой скорости обусловлено тем, что с увеличением скорости вращения наблюдается подталкивание плуга в сторону движения трактора. Оптимальная угловая скорость вращения диска равна 6 с-1 . Зависимость коэффициента оборачиваемости r от угловой скорости имеет вид, близкий к линейному (рис. 4, б). Возрастающий характер зависимости можно объяснить тем, что с увеличением угловой скорости почвенные частицы со дна борозды поднимаются выше по диску, вследствие чего улучшается оборачиваемость пласта.
Проведенные лабораторные исследования экспериментального образца лесного дискового плуга с гидроприводом комбинированного рабочего органа, в почвенном канале подтвердили теоретические исследования.
Выводы и рекомендации
1. Разработана новая конструкция комбинированного рабочего органа дискового плуга с принудительным вращением диска от гидромотора, позволяющая повысить качественные показатели рабочего процесса при незначительных увеличениях энергозатрат.
2. В случае принудительного вращения диска показатель оборачиваемости пластов r на 6% больше по сравнению с свободным вращением от сил трения с почвой. Кроме того, принудительное вращение диска приводит к снижению на 15% мощности Nn, затрачиваемой на поступательное движение. При этом дополнительные энергетические затраты (подведение дополнительной мощности 1,43 кВт для вращения диска) компенсируются повышением качества обработки почвы.
3. При оснащении плуга отвалом на 14% увеличивается коэффициент оборачиваемости пласта r и достигает значения 0,81. Кроме того, на 4% увеличивается поперечное смещение пласта d. При этом общие затраты мощности N + Nb) увеличиваются всего на 8,6%.
4. Оптимальная скорость вращения диска составляет около 6 с-1. При такой скорости, по сравнению со скоростью свободного вращения, происходит улучшение качества обработки почвы, снижение мощности ^ затрачиваемой на поступательное движение, но в то же время еще не начинается резкий рост мощности Nb, затрачиваемой на вращение диска.
Литература
1. Бартенев, И.М. Конструкции и параметры машин для расчистки лесных площадей / И.М. Бартенев,
М.В. Драпалюк, П.И. Попиков, Л.Д. Бухтояров. - М.: Флинта: Наука, 2007. - 208с.
2. Коротких, В.Н. Математическая модель взаимодействия сферического диска с приводом от гидромо-
тора лесного плуга с почвой / В.Н. Коротких // Вестн. КрасГАУ. - 2008. - № 6. - С. 129-135.
3. Пат. 64843 РФ, МПК А 01 В 9 / 00. Дисковый корпус плуга / Попиков П.И., Гончаров П.Э., Дорохин С.В.,
Коротких В.Н.; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. - № 2007108331/22; заявл. 05.03.2007; опубл.
27.07.2007, Бюл. № 21. -3 с.
