CC BY
46
Технологии. Машины и оборудование
sity of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», DSc in Engineering, Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].
Platonov Aleksey Aleksandrovich - Associate Professor of the Department traction rolling stock, Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Moscow State University of Railway Engineering», Moscow, Russian Federation; e-mail: [email protected].
DOI: 10.12737/14171 УДК 631.0.33: 634.958
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ВЫКОПОЧНОЙ МАШИНЫ МВС-2,5 ДЛЯ КРУПНОМЕРНЫХ САЖЕНЦЕВ С ГИДРОПУЛЬСАЦИОННЫМ ПРИВОДОМ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
доктор технических наук, профессор П. И. Попиков1 кандидат технических наук Р. В. Юдин1 А. В. Бакаев1
1 - ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация
Выкопка саженцев производится весной и осенью. Крупные деревья могут выкапываться и пересаживаться зимой. Следует избегать разрушения почвенного кома при извлечении, погрузке и транспортировке дерева. Для этого ком почвы плотно обвязывают тканью, сеткой рабица, или ком запаковывают в ящик, который сооружают на месте выкопки. Если дерево выкапывается не в питомнике, а из природы, то предпочтение следует отдавать дереву, растущему на более твердой почве, поскольку в такой почве корневая система не так далеко распространяется и меньше корней пострадает при пересаживании. Для усовершенствования рабочего процесса предлагается применить гидропульсационный привод с применением гидропульсатора золотникового типа с приводом от гидромотора. Разработанная имитационная модель позволяет исследовать различные аспекты процесса выкопки саженцев и исследовать влияние большого количества параметров механической и гидравлической подсистем, а также корневой системы и почвы, на производительность, качество и энергозатраты процесса. Для изучения закономерностей влияния параметров и параметрической оптимизации целесообразно использовать планирование компьютерных экспериментов, чтобы за разумное количество компьютерных экспериментов получить наибольший объем полезной информации о механизме. Компьютерный эксперимент с разработанной имитационной моделью проводился следующим образом. В течении первых 0,7 с модельного времени производилось формирование корневой системы: 3500 элементов древесины случайно появлялись и выдерживались внутри геометрической фигуры, представляющей корневую систему. По истечении 0,7 с корневая система представляла собой случайную плотную упаковку взаимодействующих между собой элементов древесины и могла двигаться в пространстве как единое тело, допускающее деформацию и фрагментацию.
Ключевые слова: рабочие процессы, компьютерный эксперимент, гидропривод, выко-пачная машина, гидроаккумулятор, гидропульсатор, имитационная модель.
240
Лесотехнический журнал 3/2015
Технологии. Машины и оборудование
THE STUDY WORKFLOW EFFICIENCY PLANT LIFTER МВС-2.5 FOR LARGE-SIZED SEEDLINGS WITH GETOPERATIONNAME DRIVEN ON THE BASIS OF SIMULATION
DSc in Engineering, Professor P. I. Popikov1 PhD in Engineering R. V. Yudin1 A. V. Bakaev1
1 - Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation
Abstract
Digging the seedlings are produced in spring and autumn. Large trees may dig and take in the winter. Avoid destruction of soil coma when extracting, loading and transporting wood. For this clod of soil tightly tied cloth, mesh netting, or whom are Packed into a box that is constructed on the site of the digging. If the tree is dug not in the nursery, and from the nature, then preference should be given to the tree growing on more solid ground, since in such soil the root system is not as far spread and less roots will suffer when transplanting. To improve workflow is proposed to apply hydraulically drive using gi-trepository spool type driven by a hydraulic motor. Developed a simulation model allows to investigate various aspects of the process of digging seedlings and to investigate the influence of many parameters on mechanical and hydraulic subsystems, as well as the root system and soil, productivity, quality and Energostroy process. To study the regularities of the influence of parameters and parametric optimization it is advisable to use a planning computer experiments, that for a reasonable number of computer experiments to obtain the greatest amount of useful information about the mechanism. Computer experiments with the developed simulation model was carried out as follows. Within the first 0.7 s of model time has been the development of root systems: 3500 items of wood randomly appeared and was kept inside a geometric figure representing the root system. After 0.7 s root system is represented as a random dense packing of interacting elements of wood and could move in space as one body, allowing deformation and fragmentation.
Keywords: workflows, computer experiment, hydraulic, wikopedia machine, accumulator, hydropulse, simulation model.
Выкопка саженцев производится весной и осенью. Крупные деревья могут выкапываться и пересаживаться зимой. Следует избегать разрушения почвенного кома при извлечении, погрузке и транспортировке дерева. Для этого ком почвы плотно обвязывают тканью (при малых размерах кома), сеткой рабица, или ком запаковывают в ящик, который сооружают на месте выкопки. Если дерево выкапывается не в питомнике, а из
природы, то предпочтение следует отдавать дереву, растущему на более твердой почве, поскольку в такой почве корневая система не так далеко распространяется и меньше корней пострадает при пересаживании. В настоящее время в лесном хозяйстве для вы-копки отдельных укрупненных саженцев применяется выкопочная машина МВС-2,5 (рис. 1). Производительность МВС-2,5 до 30 выкопанных укрупненных саженцев за час.
Лесотехнический журнал 3/2015
241
Технологии. Машины и оборудование
Рис. 1. Машина для выкопки укрупненных саженцев МВС-2,5
Размеры выкапываемого кома почвы: ширина 0,35 м; высота 0,25 м; длина 0,6 м. Масса машины 200 кг.
Для усовершенствования рабочего процесса предлагается применить гидро-пульсационный привод с применением гидропульсатора золотникового типа с приводом от гидромотора [1]. Разработанная имитационная модель позволяет исследовать различные аспекты процесса выкопки саженцев и исследовать влияние большого количества параметров механической и гидравлической подсистем, а также корневой системы и почвы, на производительность, качество и энергозатраты процесса [2, 3]. Для изучения закономерностей влияния параметров и параметрической оптимизации целесообразно использовать планирование компьютерных экспериментов, чтобы за разумное количество компьютерных экспериментов (200-500) получить наибольший объем полезной информации о механизме [4, 5, 6].
На этапе планирования компьютерных экспериментов выбраны 8 наиболее важных параметров механизма и корневой системы: f - частота пульсаций давления (удвоенная частота вращения вала золотника); КЗ - коэффициент заполнения им-
пульсами временной развертки гидропульсатора (отношение ширины импульса к периоду следования импульсов).
Dk - диаметр ствола саженца в прикорневой зоне;
сК - коэффициент жесткости древесины корневой системы;
Do - диаметр дросселирующего отверстия в вале золотника;
Sn - площадь проточки золотника, обеспечивающей параллельное дросселирование;
D^- внутренний диаметр гидрочи-линндра;
АЪН - амплитуда неровности режущей кромки (расстояние от наиболее до наименее выступающих участков режущей кромки).
На первом этапе теоретического исследования, представленном ниже, параметры варьируются по "звездообразной” схеме: в исследуемом восьмифакторном пространстве выбирается базовая точка, с наиболее типичным набором перечисленных параметров, и относительно нее по-очередно варьируются параметры. Такой подход позволяет выявить специфическое влияние каждого из параметров. На втором этапе теоретического исследования производится двухфакторная оптимизация параметров гидропульсатора. При этом исследуется ограниченное факторное пространство f Кз), а план компьютерных экспериментов заключается в полном сканирование по факторам: по трем уровням каждого фактора, с большим числом повторений эксперимента в каждой точки для уменьшения случайной ошибки [7, 10]. Прежде всего остановимся на результатах базового компьютерного эксперимента.
Компьютерный эксперимент с разрабо-
242
Лесотехнический журнал 3/2015
Технологии. Машины и оборудование
танной имитационной моделью проводился следующим образом. В течении первых 0,7 с модельного времени производилось формирование корневой системы: 3500 элементов древесины случайно появлялись и выдерживались внутри геометрической фигуры, представляющей корневую систему. По истечении 0,7 с корневая система представляла собой случайную плотную упаковку взаимодействующих между собой элементов древесины и могла двигаться в пространстве как единое тело, допускающее деформацию и фрагментацию. В момент времени 0,7 с нож поворачивался относительно своей оси до контакта с корневой системой (угол фН = 40°). Одновременно с этим, с другой стороны корневой системы, упор пододвигался до касания с корневой системой (рис. 2, а). После этого имитировалась работа гидросистемы с гидропульсатором, что приводило к росту давления в гидроцилиндрах и вращательноколебательному движению ножа (рис. 2, б). Нож постепенно внедрялся в корневую систему, перерезая поочередно корни (рис. 2, в-д). После того, как нож достигал углового положения -25°, корневая система считалась перерезанной (рис. 2, е) и производился расчет показателей эффективности:
tB - время выкопки саженца;
АВ - энергетические затраты (работа) на выкопку саженца;
Lah - амплитуда вибрации (амплитуда линейных смещений режущей кромки ножа в перпендикулярном направлении к оси вращения ножа);
ЛхК - смещение центра тяжести корневой системы ножа в горизонтальном направлении в процессе выкопки.
Временные зависимости позволяют ис-
а б
д е
Рис. 2. Выкопка в модели крупномерного саженца: а - подвод механизма к корневой системе; б - начальное внедрение ножа; в, г -движение ножа в древесине; д - завершение перерезания корней; е - захват при выкопке
следовать особенности работы различных подсистем модели в случаях использования гидропульсатора (рис. 3) и работы без гидропульсатора (рис. 4). На зависимости момента сопротивления внедрению ножа Мс(0 можно выделить несколько пиков, связанных с контактом ножа с одним или несколькими корнями [8, 9]. Сначала нож взаимодействует с ближайши корнем, затем, не закончив перерезание корня, вступает в контакт со следующими двумя корнями, затем, по мере дальнейшего движения перерезает последние два корня. Если перерезание реализуется неэффективно, нож увлекает за собой корни, вытаскивая их из почвы, и по мере нарастания давления на корень в определенный момент времени происходит разрыв корня, что при- водит к всплескам графика M0(t).
Давление в гидроцилиндрах изменяется соответственно нагрузке на ноже. В случае, если диаметр гидроцилиндров и рабочее давление достаточно высоки, нож движется в
Лесотехнический журнал 3/2015
243
Технологии. Машины и оборудование
Рис. 3. Временные зависимости основных параметров механизма в процессе выкопки саженца с частотой гидропульсатора 8 Гц: а - момент сопротивления движению ножа; б и в - давления в гидроцилиндре и трубопроводе; г - угловое положение ножа; д - работа, затраченная на выкопку
древесине приблизительно с постоянной скоростью; в противном случае давление в гидроцилиндре возрастает до максимально возможного Рвх, и происходит застревание ножа в пне.
Пульсации давления частично гасятся в трубопроводе: амплитуда пульсаций давления на графике Pm(0, чем на графике Рщ(0 (рис. 3, б, в). Поэтому при практической реализации механизма с гидропульсатором трубопроводы должны быть максимально жесткими, чтобы максимально передавать пульсации давления в полости гидроцилиндров. В случае отсутствия гидропульсатора происходят также случайные скачки давления Рщ (рис. 3, б), связанные с постепенным внедрением ножа в корневую
систему и отделением ее фрагментов. Это приводит к колебательным движениям ножа, но с гораздо меньшей амплитудой, чем в случае использования гидропульсатора.
По графику фН(0 можно судить о кинематике выкопки (рис. 3, 4, г). В первые моменты времени (от 0,7 до 1,5 с) нож двигается либо не касаясь древесины, либо только начиная внедряться в корневую систему, поэтому угловая скорость ножа довольно высока, и угол наклона графика фН(0 значителен.
д
Рис. 4. Временные зависимости основных параметров механизма в процессе выкопки саженца без использования гидропульсатора: а - момент сопротивления движению ножа; б и в - давления в гидроцилиндре и трубопроводе; г - угловое положение ножа; д - работа, затраченная на выкопку
В интервал времени от 1,5 до 5 с, происходит выкопка, нож испытывает значительное сопротивление со стороны корневой системы и почвы, поэтому угловая скорость
244
Лесотехнический журнал 3/2015
Технологии. Машины и оборудование
движения ножа несколько замедляется, вследствие чего соответствующий участок графика фН(7) является более пологим, чем на участке разгона ножа.
По графикам AB(t) можно судить о энергетических затратах на выкопку. В дальнейшем анализируется работа АВ, затраченная на поворот ножа, до угла -25°, что соответствует полной выкопке саженца.
Первые компьютерные эксперименты подтвердили эффективность предлагаемой конструкции механизма и эффективность использования вибрации для улучшения перерезающих свойств рабочего органа (табл.).
Таблица
Результаты базового компьютерного эксперимента
Показа- Без гидропуль- С гидропульса- Эф-
тель сатора тором фект
tв, с 3,20 3,30 -3,1 %
Ав, кДж 25,8 22,9 11,3 %
LАН, см 1,63 3,03 85,9 %
ЛхК, см 9,52 7,75 18,6 %
Использование гидропульсатора позволяет снизить энергетические затраты на вы-копку саженцев на 11,3 %, а также уменьшить смещение корневой системы на 18,6 %. При этом время выкопки с гидропульсатором и без приблизительно одинаково (3,3 и 3,2 с). Кроме того, использование гидропульсатора позволяет увеличить колебания ножа с 1,63 (случайные флуктуационные колебания) до
3,03 см (периодические колебания под действием пульсаций давления).
Вибрация ножа обеспечивает условия для эффективного перерезания корней, в то время как без вибрации нож вытягивает корни и разрывает их только по достижении оп-
ределенного критического давления (рис. 5, в). Количественной характеристикой качества перерезания корней является смещение корневой системы в процессе выкопки ЛхК. В случае использования гидропульсатора центр тяжести корневой системы смещается на 2,2 см меньше, чем без использования гидропульсатора. При таком смещении центра тяжести боковые корни могут смещаться на 515 см (рис. 5, в), что приводит к существенному повреждению саженца и непродуктивным энергетическим затратам.
б в
Рис. 5. Состояние корневой системы до контакта с ножом (а), перерезание корней без существенного натяжения при частоте гидропульсатора 8 Гц (б), вытягивание и смятие корней ножом без использования гидропульсатора (в)
Таким образом, использование гидро-пульсационного привода рабочего органа вы-копочной машины МВС-2.5 позволяет заметно улучшить качество выкопки саженцев и снизить энергетические затраты на выкопку.
Лесотехнический журнал 3/2015
245
Технологии. Машины и оборудование
Библиографический список
1. Патент на полезную модель 126889 РФ, МПК A01C11/00 Выкопочная машина [Текст] / П. И. Попиков, Р.В. Юдин, Д.Ю. Дручинин, А.В. Бакаев; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. - № 2006115962 ; заявл. 30.10.12 ; опубл. 20.04.2013.
2. Дручинин, Д.Ю. Математическая модель взаимодействия рабочего органа выкопоч-ной машины с почвой и корнями растений [Электронный ресурс] / Д.Ю. Дручинин, О.Р. Дорняк, М.В. Драпалюк // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2011. - № 68. - С. 51-67.
3. Синеоков, Г.Н. Теория и расчет почвообрабатывающих машин [Текст] / Г.Н. Синео-ков, И.М. Панов. - М.: Машиностроение, 1977. - 328 с.
4. Моделирование сельскохозяйственных агрегатов и их систем управления [Текст] : учеб. для вузов / под ред. А. Б. Лурье. - Л.: Колос. Ленингр. отд-ние, 1979.
5. Обоснование параметров механизма с гидропульсационным приводом для удаления пней [Текст] / П. И. Попиков, Р. В. Юдин, Д. Ю. Дручинин, А. В. Бакаев, И. Л.Беляева // Лесотехнический журнал. - 2014. - Т. 4. - № 1 (13). - С. 183-188.
6. Афоничев, Д.Н. Оптимизация функции нескольких переменных в системе автоматизированного проектирования [Текст] / Д.Н. Афоничев, С.Н. Пиляев, И.И. Аксенов // Моделирование систем и процессов. - 2014. - Вып. 4. - С. 9-11.
7. Fomin, A.A. Vibrational Displacement of a Spindle with Static Disequilibrium of the Cutting Tool [Тех^ / Fomin A.A., Gusev V.G. // Russian Engineering Research. - 2013. - Vol. 33. -№ 7. - pp. 412-415.
8. Fomin, A.A. Kinematics of Surface Formation in Milling [Тех^ / Fomin A.A. // Russian Engineering Research. - 2013. - Vol. 33. - № 11. - pp. 660-662.
9. Zhigalov, R.V. Vibration of segmented grinding wheels under an external load (2013) [Тех!] /
R.V. Zhigalov, V.G. Gusev, N.N. Miroshkina // Russian Engineering Research, 33 (11). - pp. 672-673.
10. Zelikov, V.A. Substantiation Based on Simulation Modeling of Hitch for Tillage Tools Parameters [Электронный ресурс] / V.A. Zelikov, V.I. Posmetiev, M.A. Latysheva // World Applied Sciences Journal. - 2014. - Vol. 30. - № 4. - pp. 486-492. - Режим доступа: http://idosi.org/wasj/wasj 30%284%2914/17.pdf.
References
1. Popikov P.I., Yudin R.V., Druzhinin D.Y., Bakaev A.V. Vykopochnaja mashina [Wikope-dia machine]. Patent RF, no. 126889, 2013. (In Russian).
2. Druzhinin D.Yu., Dornak O.R., Drapalyuk M.V. Matematicheskaja model' vzaimodejstvija rabochego organa vykopochnoj mashiny s pochvoj i kornjami rastenij [Mathematical model of interaction of working body of plant lifter with soil and plant roots] Politematicheskij setevoj jelektron-nyj nauchnyj zhurnal Kuban-skogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Electronic journal of Kuban state agrarian University]. 2011, no. 68, pp. 51-67. (In Russian).
3. Sinyakov G.N., Panov I.M. Teorija i raschet pochvoobrabatyvajushhih mashin [Theory
246
Лесотехнический журнал 3/2015
Технологии. Машины и оборудование
and design of tillage machines]. Moscow, 1977, 328 p. (In Russian).
4. Lurie A.B. Modelirovanie sel'skohozjajstvennyh agregatov i ih sistem upravlenija [Modeling of agricultural units and their control systems]. Leningrad: Kolos, 1979. (In Russian).
5. Popikov P.I., Yudin R.V., Druzhinin D.Yu., Bakaev V.A., Belyaeva L.I. Obosnovanie pa-rametrov mehanizma s gidropul'sacionnym privodom dlja udalenija pnej [Justification of the mechanism with getoperationname drive for removal of stumps]. Lesotekhnicheskii zhurnal, 2014, Vol. 4, no. 1 (13), pp. 183-188. (In Russian).
6. Afonichev D.N., Pilyaev S.N., Aksenov I.I. Optimizacija funkcii neskol'kih peremennyh v sisteme avtomatizirovannogo proektirovanija [Optimization of functions of several variables in the system of automatic delivery-stimulated design]. Modelirovanie sistem i processov [Fashion-stimulation systems and processes]. 2014, Vol. 4, pp. 9-11. (In Russian).
7. Fomin A.A., Gusev V.G. Vibrational Displacement of a Spindle with Static Disequilibrium of the Cutting Tool. Russian Engineering Research. 2013, Vol. 33, no. 7, pp. 412-415.
8. Fomin A.A. Kinematics of Surface Formation in Milling. Russian Engineering Research. 2013, Vol. 33, no. 11, pp. 660-662.
9. Zhigalov R.V., Gusev V.G., Miroshkina N.N. Vibration of segmented grinding wheels under an external load (2013) Russian Engineering Research, no. 33 (11), pp. 672-673.
10. Zelikov V.A., Posmetiev V.I., Latysheva M.A. Substantiation Based on Simulation Modeling of Hitch for Tillage Tools Parameters. World Applied Sciences Journal, 2014, Vol. 30, no. 4, pp. 486-492. Available at: http://idosi.org/wasj/wasj30%284%2914/17.pdf.
Сведения об авторах
Попиков Петр Иванович - профессор кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», доктор технических наук, профессор, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: [email protected].
Юдин Роман Викторович - доцент кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», кандидат технических наук, г. Воронеж, Российская Федерация; email: [email protected].
Бакаев Андрей Валерьевич - аспирант кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российской Федерации; e-mail: [email protected]
Information about authors
Popikov Petr Ivanovich - Professor of Forestry Mechanization and Machine Design department, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», DSc in Engineering, Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].
Лесотехнический журнал 3/2015
247
Технологии. Машины и оборудование
Yudin Roman Viktorovich - Associate Professor of Forestry Mechanization and Machine Design department, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», PhD in Engineering, Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].
Bakaev Andrey Valeryevich - post-graduate student of Forestry Mechanization and Machine Design department, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].
DOI: 10.12737/14173 УДК 630*432
ВОДЯНАЯ ЗАВЕСА ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЛЕСОПОЖАРНОГО АВТОМОБИЛЯ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
доктор технических наук, доцент Д. А. Соловьев1
О. В. Карпова1
1 - ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова», г. Саратов, Российская Федерация
Лесные пожары - одно из величайших бедствий, угрожающих лесному хозяйству и существенно влияющих на функционирование и состояние лесов. Особо опасны лесные пожары, тушение которых практически невозможно и при этом надо быстро покинуть зону неконтролируемого горения. Однако зачастую невозможно в природных условиях определить фронт распространения пожара, и создается опасная ситуация, связанная с необходимостью защиты людей и техники от надвигающегося лесного пожара. В области противопожарной защиты встречается такое техническое решение, как водяная завеса. Водяные завесы используются в современных стационарных системах противопожарной защиты, являются одним из средств защиты людей и техники во время тушения пожаров. Основное достоинство водяной завесы -это тонкораспыленная вода, которая позволяет поверхностно быстро ликвидировать или охладить зоны горения и нагревания технологического оборудования. Особенно остро стоит вопрос об использовании подобных водяных завес для защиты техники и людей на лесных пожарах. При этом отсутствует опыт эксплуатации водяных завес в подобных условиях, недостаточно научных исследований по разработке и применению водяных завес. В статье рассмотрен вопрос защиты лесопожарных автомобилей от воздействия лесного пожара и предложена конструкция оборудования для создания водяной завесы. Применяются два контура для создания водяной завесы, позволяющие производить защиту всего автомобиля сверху, а также отдельно колес. При этом используется два режима работы - ручной и автоматический. Учитывая актуальность проблемы лесных пожаров, применение предлагаемой конструкции водяной завесы на лесопожарном автомобиле позволит снизить риск возгорания и защитить технику и людей от воздействия быстронадвигающего фронта лесного пожара.
Ключевые слова: лесные пожары, защита, лесопожарный автомобиль, оборудование, водяная завеса.
248
Лесотехнический журнал 3/2015
