CC BY
42
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»
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.
