CC BY
58
Qж^Л ^Ч П ' ^\ и ' С / О >
где кп - коэффициент теплопередачи;
FгП - площадь теплоотдачи;
Ї - температура рабочей жидкости в гидросистеме;
/о - температура окружающей среды.
С целью проверки метода на адекватность при проведении расчетов в качестве исходных данных использовали параметры теплообменника, на котором проводились эксперименты [2]. Сравнение результатов, полученных экспериментальным путем, с результатами, полученными расчетным путем, показали, что расхождение между этими данными не превышает 10 %.
Литература
1. Каверзин С.В., Сорокин Е.А., Хомутов М.П. Теплообменники на тепловых трубах для предпускового разогрева гидропривода машин // Строительные и дорожные машины. - 2008. - № 8. - С. 38-39.
2. Хомутов М.П. Стенд для испытания каталитического теплообменника на тепловых трубах // Вестн. КрасГАУ. - 2007. - № 3. - С. 153-155.
---------♦'----------
УДК 630.232.427+004.942 И.М. Бартенев, М.В. Шавков, В.В. Посметьев
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СОШНИКА ЛЕСОПОСАДОЧНОЙ МАШИНЫ
Сошник лесопосадочной машины является одним из основных рабочих органов, определяющим качество посадки растений. В статье дана математическая модель сошника лесопосадочной машины, оценивающая его не только как бороздообразующий, но и почвозаделывающий рабочий орган.
Ключевые слова: лесопосадочная машина, моделирование, лесная почва, сеянец, сошник.
I.M. Bartenev, M.V. Shavkov, V.V. Posmetyev MATHEMATICAL MODEL OF TREE PLANTING MACHINE PLOWSHARE OPERATION
Tree planting machine plowshare is one of the basic operating devices that determine planting quality of the plants. Mathematical model of tree planting machine plowshare estimating it not only as groove creating, but also as soil- embedding in operating device is given in the article.
Key words: tree planting machine, modeling, forest soil, seedling, plowshare.
Актуальность и постановка проблемы. Сошник лесопосадочной машины производит только образование борозды, в которую подаются растения ротационно-лучевым посадочным аппаратом, а заделка корней их осуществляется частично за счет осыпания и подачи почвы загортачами или уплотняющими катками. Подобное разделение функций рабочих органов является причиной некачественной посадки растений. При осыпании почвы происходит попадание верхнего подсушенного слоя на дно борозды, образование воздушных пустот внутри борозды, перемещение растений катками в направлении движения агрегата и, как следствие, наклонная посадка их. Для устранения отмеченных недостатков предлагается новая конструкция лесопосадочной машины, отличительной чертой которой является использование сошника с почвозаделывающими окнами (рис. 1), благодаря чему сошник производит не только образование борозды, но и полную засыпку корней растений влажной почвой из нижних и средних слоев борозды. Катки выполняют только уп-
лотнение почвы. Для обоснования параметров и размещения окон с захватами целесообразно использовать математическое и компьютерное моделирование.
7 - рама машины 2 - сошник 3 3 - уплотняющие катки
4 - посадочный аппарат
5 - приемный столик
6 - почдозаделыдающие окна
7 - сиденье
8 - привод посадочного аппарата
8 9- наЬеска
Рис. 1. Схема новой конструкции лесопосадочной машины
Цель исследований. Разработать математическую модель, адекватно описывающую функционирование сошника лесопосадочной машины, которая позволит в дальнейшем провести теоретическую оптимизацию параметров сошника.
Задачи исследований:
1) разработать физико-математическую основу модели;
2) составить компьютерную программу, позволяющую исследовать модель;
3) произвести первичную проверку адекватности модели.
Методы моделирования. Классическая динамика упругого тела, метод конечных элементов.
Описание модели. При моделировании сошника лесопосадочной машины необходимо корректно представить в модели лесную почву, а также процессы ее взаимодействия с рабочими поверхностями сошника и сеянцами. Лесная почва является сложным для моделирования объектом ввиду своего типологического разнообразия и большого количества описывающих ее физико-математических параметров, в частности, тип почвы, ее твердость, влажность, плотность, рельеф поверхности [1-2]. Модель почвы основана на методе конечных элементов: почва представляется совокупностью большого количества шарообразных элементов малого размера, способных взаимодействовать как между собой, так и с рабочими поверхностями сошника.
Взаимодействие сошника с почвой с геометрической точки зрения представляет собой задачу о нахождении расстояния Гв от некоторой плоскости до поверхности произвольного шарового элемента почвы. При
этом вязкоупругая сила F , действующая на элемент почвы, определяется по формуле:
Р = с-гв-п-ку ,
где п и V - направление и скорость взаимодействия шарового элемента и рабочего органа, рассчитываемые для каждого шарообразного элемента почвы методами аналитической геометрии;
с и к - коэффициенты жесткости и вязкости взаимодействия.
Действуя на шарообразные элементы почвы, боковые поверхности сошника приводят к изменению пространственного положения шаров - захваты подают почву внутрь сошника, обеспечивая постепенную заделку борозды. Суммарная сила со стороны множества одновременно взаимодействующих с сошником элементов позволяет рассчитать сопротивление движению лесопосадочной машины и оценить мощность, которую должен развивать агрегатируемый трактор.
Сошник представляет собой сложную геометрическую поверхность, поэтому для его представления в модели также используется конечно-элементный подход. Поверхность сошника заменяется большим количеством состыкованных друг с другом элементов-треугольников [3]. Так как задачей моделирования является оптимизация формы сошника, количества, размеров и положения окон в нем, угла отклонения и длины захватов почвы, то представление сошника в виде совокупности треугольников удобно тем, что можно до-
вольно легко изменить форму сошника, лишь изменяя координаты нескольких вершин треугольников. В простейшем варианте боковые поверхности сошника разбиваются на 40 элементарных треугольников (рис. 2).
а)
б)
Рис. 2.. Модель сошника: а - форма сошника с почвозаделывающими окнами; б - совокупность элементарных частей, составляющих левую и правую боковины сошника
Треугольник в трехмерном пространстве задается координатами трех его вершин Тц(хц, у/1, її), Ъ{х/2, Уі2, г2), Тіз(Хів, Уіз, г/з), где Т - обозначение точки-вершины треугольника; І - номер треугольника; индексы 1, 2 или 3 - означают номер вершины для /-го треугольника. Для образования сложных поверхностей треугольники стыкуются между собой по какому-либо ребру: для соседних треугольников совпадают по две вершины (например, Т71 = Тв1, Т72 = Тз2). Так как поверхности сошника не являются замкнутыми, после стыковки всех треугольников остаются свободные ребра, которые выступают, в частности, в качестве верхних и нижних краев металлических листов сошника.
В течение времени сошник движется в продольном направлении по отношению к почве. При этом необходимо непрерывно корректировать координаты точек-вершин треугольников Ті (где І - номер треугольника, ] - номер вершины). В рамках приближения к равномерному прямолинейному движению сошника вдоль оси ОУ необходимо корректировать все игрековые координаты треугольников:
У] = УЩ ^ Усош ' t,
где у0ц - координаты вершин треугольников в момент начала моделирования;
Уош - поступательная скорость сошника;
? - время, прошедшее с начала моделирования.
В модели также необходимо учесть постепенное заглубление сошника в первые секунды движения. В момент времени ? = 0 сошник находится над почвой (нижние точки касаются поверхности почвы) и за промежуток времени иаг он должен выйти на заданную глубину а. Поэтому при ? < иаг координаты всех вершин треугольников изменяются по следующему линейному закону:
2] = 2щ — а ' t / 1заг,
где 1оц - координаты вершин треугольников в момент начала моделирования.
При движении поверхностей сошника они входят в контакт с элементами почвы, что вызывает появление как сил, действующих на поверхности сошника и вызывающих сопротивление движению, так и сил, действующих на элементы почвы и вызывающих движение элементов и изменение конфигурации почвенной системы. Силы рассчитываются в предположении о вязко-упругом взаимодействии между поверхностью и элементами почвы. При расчете сил основную сложность вызывает проверка, контактирует ли элемент с данным треугольником Тц и, если контактирует, расчет величины внедрения гвн элемента в плоскость данного треугольника (рис. 3).
Рис. 3. Взаимодействие элементов почвы с элементарным треугольником
Проверка контакта шара к с треугольником I производится в два этапа: сначала находится проекция центра шара (хк, ук, 1к) на плоскость треугольника, затем проверяется, попадает ли точка проекции внутрь треугольника. Предварительно составляется уравнение плоскости, проходящей через три точки - вершины Тп, Т12, Т 3 треугольника по известной в аналитической геометрии формуле:
X -х,1 У-Уи 1-1п
-х,1 У,2~У,1 2г2~2П = 0.
-Хц У.З-У.1
После раскрытия определителя последнее уравнение приводится к виду
Ах + Ву + Сг + О = О, где А, В, С, й - коэффициенты уравнения плоскости.
Затем уравнение плоскости нормируется путем деления всех коэффициентов уравнения на длину нормального вектора V А2 + В2 + С2 :
А В С D п
■ х ч—. у ч—. z ч—. = О,
УІА2 +В2 +С2 УІА2 + В2 + С2 л! А2 + В2 + С2 л] А2 + В2 + С2
или, введя новые обозначения коэффициентов (с индексом "н"), нормированное уравнение плоскости можно записать в следующем виде:
Анх + В»У + С „г + пн=0.
Тогда отклонение гвн центра шара ^, ук, Zk) от плоскости рассчитывается по формуле
ген = Ахк + вп У к + Снгк +Он=0.
Так как большинство элементов почвы не контактируют с сошником, на данном этапе расчета производится отсечение всех неконтактирующих элементов почвы по условию Ген > сШ/2.
Затем необходимо найти проекцию центра шара на плоскость данного треугольника. Так как известны координаты нормального вектора Aн, Bн и ^ и отклонение от точки до плоскости, проекция Р^П, уП, zП) находится смещением по нормальному вектору:
Уп=Ук-в»-г.п,
- П = -к ' Г.::г
Для того чтобы проверить, попадает ли точка P внутрь треугольника Ti, используется метод проверки по площадям: сумма площадей трех треугольников с вершиной P должна равняться площади всего треугольника Ti.
В случае если выполняются оба условия ("шар контактирует с плоскостью", "проекция центра шара попадает внутрь данного треугольника"), по величине внедрения гвн производится расчет сил, действующих между элементом почвы и сошником.
При автоматизированной лесопосадке используются сеянцы с близкими геометрическими параметрами: примерно одинаковой длины и более-менее ровные. Поэтому в рамках модели сеянцы представляются в виде одинаковых тонких стержней. В модели производится подсчет суммарной силы и суммарного момента, действующих на стержень со стороны элементов почвы. Под действием суммарной силы сеянец совершает поступательное движение, а под действием суммарного момента - вращательное движение.
Таким образом, сошник лесопосадочной машины описывается системой дифференциальных уравнений. Решение системы производится численным методом - модифицированным методом Эйлера-Коши [4-5].
Для удобства исследования модели составлена компьютерная программа "Программа для моделирования лесопосадочной машины" на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7.0 [6]. При запуске программы на экране появляется большое количество окон ввода, позволяющих задать основные параметры лесопосадочной машины и технологического процесса, в частности, режимы работы: vM - скорость лесопосадочной машины; anoc - заглубление сошника; Tc - период подачи сеянцев; параметры растений: Lc - длина сеянца; Lcc - расстояние от нижней точки сеянца до его центра тяжести; mc - масса сеянца. Форма сошника, количество и расположение окон в рабочей поверхности сошника, а также количество и расположение захватов, задаются в тексте программы и не выносятся на интерфейсную форму.
После ввода параметров начинается компьютерный эксперимент с моделью, который заключается в движении лесопосадочной машины по участку лесной поверхности на расстояние 10 м. Эксперимент проводится многократно для усреднения результатов. При этом сошник изменяет конфигурацию модельной почвенной системы: вырезает борозду перед подаваемым сеянцем и засыпает борозду после подачи растения с помощью почвенных захватов через специальные окна в рабочей поверхности сошника. Имитируется также механизм подачи цепного типа: сеянец подается в почву и удерживается в ней некоторое время, пока не произойдет прочный захват растения почвой.
В процессе компьютерного эксперимента на экран компьютера непрерывно выводится схематическое изображение лесопосадочной машины, модельной почвенной системы и сеянцев (рис. 4).
Также в процессе компьютерного эксперимента определяется средняя мощность, затрачиваемая аг-регатируемым трактором на движение сошника:
Рис. 4. Интерфейсная форма вывода результатов компьютерного эксперимента
*=^=7
у(і)
где A - работа сил сопротивления;
I - текущее значение времени в компьютерном эксперименте;
У{!) - текущее положение лесопосадочной машины в направлении движения (вдоль оси ОУ);
Fсум(y) - суммарное значение силы сопротивления со стороны почвы, испытываемой сошником при продольном положении у.
Важной характеристикой работы сошника лесопосадочной машины является профиль почвы, оставляемый после посадки (рис. 4). Он позволяет определить, насколько качественно засыпаны саженцы, нет ли пустот в прикорневой области.
Кроме того, по окончании эксперимента визуально и количественно анализируется качество посадки сеянцев: вертикальность посадки, равность расстояния между растениями, точность попадания сеянцев в центр борозды.
Выводы
1. Разработана математическая модель сошника лесопосадочной машины, позволяющая изучить влияние основных параметров сошника, почвы, сеянцев и технологического процесса на качество посадки и оптимизацию конструкции сошника.
0
2. Модель адекватно описывает функционирование сошника лесопосадочной машины - движение почвенных частиц через окна сошника, подачу и заделку корней растений.
3. Составлена компьютерная программа для проведения виртуальных экспериментов и выявления оптимальных параметров формы сошника.
Литература
1. Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. - М.: Машиностроение, 1977. - 328 с.
2. Моделирование сельскохозяйственных агрегатов и их систем управления: учеб. для вузов / под ред. А.Б. Лурье. - Л.: Колос. Ленингр. отд-ние, 1979. - 312 с.
3. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: учеб. пособие. - М.: Высш. шк., 1998. - 319 с.
4. Расчет и проектирование строительных и дорожных машин на ЭВМ / под ред. Е.Ю. Малиновского. -М.: Машиностроение, 1980. - 216 с.
5. Инженерные расчеты на ЭВМ: справ. пособие / под ред. В.А. Троицкого. - Л.: Машиностроение, 1979. - 288 с.
6. А.с. № 2010615944. Программа для моделирования лесопосадочной машины / И.М. Бартенев, М.В. Шавков, В.В. Посметьев, М.Л. Шабанов. Зарег. 10.09.2010.
УДК 338.47 С.К. Манасян
ИННОВАЦИОННЫЕ СТРАТЕГИИ ЛОГИСТИКИ И ИНТЕГРАЦИЯ НАУКИ, ПРОИЗВОДСТВА И ОБРАЗОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АТП (Часть 3)
В статье рассказано о деловом сотрудничестве Института управления инженерными системами КрасГАУ с автотранспортными предприятиями МП КАТП-2 и Милк-Лоджистик, которое можно назвать интеграцией теории и практики, науки и образования. Представлены основные инновационные стратегии логистики, позволяющие практически реализовать современные тенденции развития АТП и сократить отставание в этой области от мировых лидеров.
Ключевые слова: автотранспортное предприятие (АТП), эффективность функционирования, инновации, логистика, интеграция науки и производства.
S.K. Manasyan
INNOVATIVE STRATEGIES IN LOGISTICS AND INTEGRATION OF SCIENCE, PRODUCTION AND EDUCATION IN THE FIELD OF ATE FUNCTIONING EFFICIENCY INCREASE (Part 3)
The article gives information about business cooperation of the Institute of engineering system management in KrasSAU with the motor transport enterprises of МП КАТП-2 and Milk-Lodzhistik that can be named as integration of theory and practice, science and education. The basic innovative logistics strategies that allow to realize modern line for ATE practical development and to catch up with the world leaders in this field are given.
Key words: auto- transport enterprise (ATE), functioning efficiency, innovations, logistics, science and manufacture integration.
Инновационному развитию транспорта в последнее время уделяется серьезное внимание, более того, государство отмечает необходимость инноваций на транспорте. Инновацию в научной трактовке понимают чаще всего как общественный технический и экономический процесс, который, благодаря практическому использованию идей и изобретений в определенной области, приводит к созданию лучших по своим свойствам изделий, технологий, услуг, и в случае, если инновация ориентируется на экономическую выгоду (прибыль), появление инновации на рынке может принести добавочный доход.
