CC BY
30
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО И ВИБРАЦИОННОГО ЗАГЛУБЛЕНИЯ ДИСКОВОЙ БАТАРЕИ КУЛЬТИВАТОРА КЛБ-1,7
В.И. ПОСМЕТЬЕВ, проф. ВГЛТА, д-р техн. наук,
Л.Т. СВИРИДОВ, проф. ВГЛТА, д-р техн. наук,
В.А. ЗЕЛИКОВ, доц. ВГЛТА, канд. техн. наук,
А.В. ЛИФЕРЕНКО, асп. ВГЛТА
[email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]
При обработке лесной почвы возникают сложности с заглублением рабочих органов плугов, борон и культиваторов в лесную почву. Причина в том, что лесная почва обладает высокими значениями показателей механических характеристик (в частности сопротивления резания), и содержит большое количество различных включений, оказывающих сопротивление: перерезаемых и неперерезаемых корней, пней, камней, ветвей и др. Одним из путей решения проблемы является утяжеление орудия за счет дополнительного балласта (оснащение орудия ящиками для песка или камней). Однако при этом возрастают энергозатраты агрегатируе-мого трактора на движение орудия, особенно на технологические движения, не связанные с обработкой почвы (развороты, движение к месту обработки почвы и т.п.).
В данной статье изучена эффективность двух перспективных методов улучшения заглубляемости орудия: динамического и вибрационного. В рамках первого метода динамическое давление набегающей почвы, оказываемое на контактирующую с почвой поверхность рабочего органа, вызывает появление дополнительной заглубляющей силы. Данный метод широко используется в сельском и лесном хозяйстве; в частности, рабочие поверхности почвообрабатывающих орудий устанавливаются под определенными углами к направлению движения (угол атаки а) и к вертикали (угол Р). В то же время, для лесных почвообрабатывающих орудий с дисковыми рабочими органами ранее не представлялось возможным дать сколь-нибудь серьезные теоретические рекомендации об углах ориентации дисков и дисковых батарей. При эксплуатации углы подбираются эмпирическим путем, в частности, для КЛБ-1,7 угол атаки а обычно выбирают в диапазоне
30 ... 40°, угол Р в диапазоне 5 ... 15°. Теоретическое исследование затруднено сложностью учета взаимодействия сферического диска с вырезаемым пластом почвы, а также тем, что необходимо одновременно учитывать взаимодействие с почвой нескольких рядом расположенных дисков, в частности, четырех дисков батареи КЛБ-1,7. Однако высокоточное моделирование, выполненное в данной работе, позволило теоретически изучить динамическое заглубление.
Вторым перспективным методом повышения заглубляемости является сообщение вибрации рабочим органам. Как показали предварительные исследования, вибрация дисковой батареи культиватора КЛБ-1,7 с частотой 12 Гц приводит к повышению заглубления на 10 ... 15 % [5]. В данной работе изучено влияние углов установки батареи и скорости поступательного движения культиватора на эффективность виброзаглубления.
Для изучения эффектов динамического и вибрационного заглубления дисковых батарей культиватора КЛБ-1,7 разработана имитационная компьютерная модель (рис. 1). Модель воспроизводит движение культиватора по участку лесной почвы. Почва в модели, согласно методу конечных элементов [3, 4], представляется совокупностью большого количества шарообразных элементов малого диаметра (расчеты, упомянутые ниже, проводятся для 7000 элементов), способных взаимодействовать как между собой, так и с рабочим органом почвообрабатывающего орудия. Такое представление позволяет учесть типологическое разнообразие почв и большое количество описывающих почву физико-механических параметров [2].
В процессе компьютерного эксперимента культиватор КЛБ-1,7 движется с постоянной продольной скоростью Утр. Поло-
112
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2009
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
жение дисковой батареи описывается тремя координатами: продольной x по отношению к модельному почвенному каналу, поперечной горизонтальной у, которая зафиксирована, и вертикальной z, которая может изменяться в зависимости от сил, действующих на культиватор. Батарее культиватора сообщается синусоидальная вибрация в направлении x (для сообщения вибрации реального орудия разработано специальное гидромеханическое устройство виброзаглубления [6]), то есть
хБ = x + Asm(2nft), где хБ - координата центра батареи;
A и f - амплитуда и частота вибрации.
Почва, представленная множеством шаров, оказывает действие на дисковую батарею, в результате чего, спустя некоторое время после начала компьютерного эксперимента, культиватор выходит на некоторую установившуюся глубину обработки.
Ранее нами был разработан алгоритм расчета сил, действующих со стороны почвы на дисковый рабочий орган. С геометрической точки зрения расчет взаимодействия рабочего органа с почвой сводится к задаче о нахождении расстояния гв от поверхности сферического сегмента (диска культиватора) до поверхности произвольного шарового элемента почвы. При этом вязкоупругая сила F ,
действующая на элемент почвы, определяется по формуле
F = c • re • n - kv ,
где n и v - направление и скорость взаимодействия шарового элемента и рабочего органа, рассчитываемые для каждого шарообразного элемента почвы методами аналитической геометрии; c и k - коэффициенты жесткости и вязкости взаимодействия.
Суммарная сила со стороны множества одновременно взаимодействующих с рабочим органом элементов почвы влияет на вертикальное движение дисковой батареи, а последняя в свою очередь приводит к изменению структуры системы шарообразных элементов: дисковая батарея вырезает борозду и откидывает пласт модельной почвы (рис. 1).
С целью организации комплексного исследования заглубляемости культиватора КЛБ-1,7 нами разработана компьютерная программа «Программа для исследования влияния вибрации на заглубляемость рабочих органов» (в настоящее время программа находится в стадии регистрации в федеральном органе исполнительной власти по интеллектуальной собственности). Программа составлена на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7.
I
Рис. 1. Изображение, выводимое на экран компьютера в процессе компьютерного эксперимента
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2009
113
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Рис. 2. Влияние угла атаки диска а и угла отклонения диска от вертикали в на среднюю глубину обработки почвы a ,
об
Целью данной работы было изучить влияние углов установки дисковой батареи, скорости движения трактора, наличия или отсутствия вибрации на дополнительное заглубление дисковой батареи. В соответствии с этим проведены три серии компьютерных экспериментов.
В рамках первой серии исследовали влияние углов установки а и в дисковой батареи на среднюю глубину обработки аоб орудия, движущегося с постоянной горизонтальной скоростью v = 1 м/с. Сначала изменяли угол а от 0° до 54° с шагом 6° при постоянном значении в = 5° (рис. 2). Затем изменяли угол в от 0 до 18° с шагом 2° при постоянном значении а = 40°. Для того чтобы уменьшить влияние на результаты статистического разброса, вызванного флуктуациями параметров почвы, для каждого набора а и в проводили по 10 компьютерных экспериментов с разными участками модельной почвы с последующим усреднением результатов и контролем среднеквадратичного отклонения. Таким образом, для данного исследования потребовалось 200 компьютерных экспериментов.
При изменении а от 0° до 30° глубина обработки остается малой аоб (примерно 78 см). С увеличением а от 0° происходит сначала незначительный рост аоб, обусловленный тем, что диски батареи разворачиваются к направлению движения внутренней стороной, затем, после а = 15...20° происходит некоторое падение аоб, вызванное тем, что диски начинают перекрывать друг друга по отношению к направлению движения. Начиная со значения
а = 30° наблюдается резкий рост глубины обработки, связанный с тем, что диски уже достаточно повернуты, чтобы их поверхности, взаимодействуя с пластами почвы, создавали существенную заглубляющую силу. При а > 50° происходит «бесконечное заглубление»: батарея безостановочно заглубляется, пока не достигает нижней границы модельной почвы (при этом аоб = 30 см), после чего расчет останавливается. В реальных дисковых почвообрабатывающих орудиях, если складываются условия для «бесконечного заглубления», происходит либо «заякоривание орудия», либо заглубление останавливается при заглублении до уровня необработанной ранее основы лесной почвы, либо заглубление ограничивается искусственно, например если орудие установлено на опорные колеса.
С увеличением в глубина обработки аоб монотонно возрастает. Увеличение аоб обусловлено, во-первых, наклоном дисковой батареи, приводящим к тому, что диски оказываются на разной глубине, при этом самый нижний диск оказывается заглубленным значительнее, чем среднее значение заглубления дисков в дисковой батарее. Во-вторых, тем, что с увеличением в происходит разворот сферической поверхности к направлению движения и поверхности почвы таким образом, что заглубление осуществляется более эффективно.
Для того чтобы определить, как эффективность виброзаглубления зависит от углов установки дисковой батареи проведена вторая серия компьютерных экспериментов. Согласованно изменяли углы а и в и анализировали зависимость аоб(а, в) без вибрации и с вибрацией дисковой батареи (частота вибрации 15 Гц, амплитуда вибрации 0,05 м). Угол а составлял 0°, 10°, 20°, 30°, 40°; угол в составлял 0°, 5°, 10°, 15° [1]. Для каждого набора параметров провели по 10 компьютерных экспериментов с последующим усреднением для устранения статистического разброса. Общее количество экспериментов составило 400.
Зависимость аоб(а, в) без вибрации представлена на рисунке 3 а. Для удобства анализа экспериментальная зависимость аоб(а, в) аппроксимирована поверхностью второго порядка и изображена с помощью линий уровня
114
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2009
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
на рис. 3 в. Приемлемыми значениями глубины обработки культиватора КЛБ-1,7 считаются значения аоб более 10 см. Как видно из рис. 3 в, область приемлемых значений аоб лежит правее линии уровня 10 см, при этом условие попадания некоторой точки (а, в) можно приближенно выразить линейным неравенством Р > 22° - 0,556 • а.
Для анализа изменения поверхности аоб(а, Р) при сообщении вибрации рассчитана разность Да к(а, Р) = а к , (а, Р) - а „ к (а,
г об4 5 об с вибрЛ 5 г/ об без вибрЛ 5
Р). Аппроксимированная поверхностью второго порядка зависимость Даоб(а, Р) представлена на рис. 3 б, и перестроена в линии уровня на рис. 3 г.
Обнаружено, что вибрация рабочего органа может приводить как к дополнительному заглублению, так и к дополнительному выглублению орудия: это доказывается присутствием в области изменения углов а и Р на рис. 3 г как положительных, так и отрицательных линий уровня. Граница между областями положительного и отрицательного виброэффекта определяется, в основном, углом Р
(по крайней мере, для больших значений а). Наилучшее сочетание динамического и вибрационного заглубления наблюдается при значениях а = 24 ... 31°, Р = 7 ... 10°. В этой узкой области средняя глубина обработки превышает 10 см, а дополнительное вибрационное заглубление превышает 20 %.
В рамках третьей серии компьютерных экспериментов изменяли горизонтальную скорость движения дисковой батареи от 0,6 до 3,0 м/с с шагом 0,3 м/с (рис. 4). При этом сначала провели серию экспериментов для углов установки, выбранных из оптимальной области, в которой наблюдается положительный эффект от вибрации (а = 27°, Р = 9°), затем провели эксперименты для других углов установки, при которых виброэффект отрицателен (а = 20°, Р = 0°). В обоих случаях эксперименты провели без вибрации и с вибрацией дисковой батареи. Эксперименты проводили с 10-кратной повторностью для исключения случайного разброса, поэтому общее количество экспериментов в данной серии составило 360.
Рис. 3. Влияние углов а и в установки дисковой батареи на среднюю глубину обработки почвы аоб
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2009
115
