CC BY
139
УДК 630*332.2.001.57
UDC 630*332.2.001.57
ОБОСНОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ВИБРАЦИОННОГО ПРОЦЕССА ПОДРЕЗАНИЯ КОРНЕЙ СЕЯНЦЕВ ЛЕСНЫХ КУЛЬТУР
Платонова Марина Алексеевна аспирант
Воронежская государственная лесотехническая академия, Воронеж, Россия
В статье представлено обоснование динамических факторов вибрационного процесса подрезания корней для оптимизации технологических параметров подрезания корней
Ключевые слова: ПОДРЕЗКА КОРНЕЙ, КОРНЕПОДРЕЗЧИК, ЧАСТОТА КОЛЕБАНИЙ, АМПЛИТУДА
JUSTIFICATION OF DYNAMIC FACTORS OF VIBRATION PROCESS OF UNDERCUTTING ROOTS OF SEEDLINGS OF FOREST CROPS
Platonova Marina Alekseevna postgraduate student
Voronezh State Academy of Forestry and Technologies, Voronezh, Russia
The article presents a study of dynamic factors of vibration process of undercutting roots for optimization of process parameters of undercutting of roots
Keywords: UNDERCUTTING OF ROOTS, CARVER ROOTS, OSCILLATION FREQUENCY, AMPLITUDE
Введение. Одним из наиболее эффективных способов подготовки сеянцев лесных культур к пересадке, способствующих формированию хорошо сохраняющейся при выкопке мочковатой корневой системы, является вибрационная подрезка корней растений в период их выращивания в питомнике устройством для подрезания корней [1; 3; 4]. Данный процесс должен обеспечить качественное перерезание корней с ровным срезом без их смятия, разрывов и размочаливания, так как это приводит к ухудшению качества посадочного материала или его гибели. Возникающее при этом суммарное тяговое сопротивление должно быть по возможности минимальным, что может быть обеспечено обоснованием оптимальных конструктивных и технологических факторов вибрационного процесса подрезания корней [2].
Таким образом, остается актуальной задача повышения эффективности работы корнеподрезчиков, успешное решение которой поможет повысить качество механизированных работ в лесных питомниках и снизить затраты на выращивание посадочного материала.
Состояние исследований. В [6] рассмотрены кинематические и динамические факторы математической модели взаимодействия вибрирующих рабочих органов машины с почвой и корнями, позволяющей обосновать ос-
новные оптимальные геометрические и технологические параметры вибрационного процесса подрезания корней. При этом было установлено, что к основным динамическим факторам относятся амплитуда колебания и частота вертикальных колебаний лезвий подрезающих ножей, а также суммарное тяговое сопротивление, возникающее при подрезке корней сеянцев.
Постановка и решение задачи. При математическом моделировании корнеподрезчик с активными рабочими органами рассматривался как сложная многозвенная система, обладающая большим количеством параметров. При этом окружающая корнеподрезчик среда и сам корнеподрезчик, в зависимости от комбинации своих внутренних параметров, взаимодействуют друг с другом, оказывая влияние на качество подрезки корней.
Для оценки величины суммарного тягового сопротивления Рт , возникающего при подрезке корней сеянцев активными рабочими органами, были построены графические зависимости, позволяющие выявить воздействия конструктивных и технологических параметров вибрационной подрезки корней на величину Рт .
Одним из таких графиков является зависимость Рт = f (р), где р -угол поворота эксцентрика модели корнеподрезающей машины, сообщающий подрезающим ножам возвратно-поступательное движение (рис. 1). Данная зависимость строилась при неизменных значениях геометрических параметров подрезающих ножей, диаметров корней (2 мм) и количества (10 шт.) перерезаемых корней, физико-механических свойствах почвы и корней. Глубина подрезки корней сеянцев в расчёте принималась равной 150 мм [5].
р, н
550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
О 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
Рисунок 1 - Г рафик зависимости Рт = / (ф)
( ж ) ( ж >
Рпр
Рсопр
Ринн
Рпрдф
Рт
Анализ данного графика (см. рис. 1) показывает, что максимальное влияние на величину Рт оказывает общая сила, необходимая для перерезания режущим инструментом корня и почвы Рпр (из общего значения Рт величина Рпр составляет 77 %), затем следуют суммарные силы сопротивления перерезания корня и почвы режущим инструментом РсоПр
(19 %), сила пружин при их предварительной и рабочей деформации Рпрдф (3 %) и силы инерции ножей Ринн (»0 %). При угле поворота эксцентрика р = 90...2700 (максимум при р = 1800) наблюдается явное возрастание тягового сопротивления Рт , что объясняется дополнительным заглублением в этот момент подрезающих ножей в почву и, как следствие, увеличением площади контакта ножей и почвы, а следовательно, сил сопротивления Рсопр и сил пружин Рпр дф .
Величина общей силы, необходимой для перерезания корней и почвы режущим инструментом Рпр , оставалась неизменной, т.к. на данную силу оказывают влияние в основном геометрические параметры подрезающих ножей (радиус затупления лезвия ножа, толщина полотна ножа, длина режущей кромки ножа и т.д.) и количество ножей, а также физикомеханические свойства почвы (например, коэффициенты трения древесина
- лезвие ножа, лезвие ножа - почва) и корней, которые при построении данного графика принимались неизменными (см. рис.1).
Влияние последней составляющей (Ринн) оказалось незначительным
из-за небольшого значения принятой в данном расчёте частоты колебаний подрезающих ножей пн = 60 мин-1 (рис. 2).
Ринн, Н
Однако при рассмотрении графика поведения данной составляющей как функции частоты колебаний подрезающих ножей пн выяснилось, что увеличение параметра пн приводит к возрастанию абсолютных значений силы инерции ножей Рин н при крайних положениях угла поворота эксцентрика р (00, 1800, 3600), т.е. в «мёртвых» точках положения подрезающих ножей, когда вектор направления скорости их движения меняется на противоположный (рис. 3). Особенное значение имеет зона поворота угла эксцентрика при р = 90°...180° и 180°...270°, где из-за отрицательных значений ускорений ножей величины сил инерции Ринн также принимают отрицательные значения и способствуют уменьшению общего тягового сопротивления Рт .
100-120 80-100 60-80 40-60 20-40 0-20 -20-0 -40--2 0 -60--4 О -80-60 -100--80 -120--100
Рисунок 3 - График зависимости Ринн = /(ф, п)
Уменьшение частоты колебаний подрезающих ножей пн до нулевых значений приводит к исчезновению инерционных составляющих (сил инерции ножа Рин н и корней Рин к) и соответствующему уменьшению тягового сопротивления Рт (рис. 4).
■ 550-600
□ 500-550
□ 450-500
■ 400-450
□ 350-400
1
см
Рисунок 4 - Г рафик зависимости Рт = / (р, п)
Однако при этом корнеподрезающая машина лишается преимуществ, связанных с активными рабочими органами, а суммарное тяговое сопротивление Рт = 540 Н (рис. 5) с неподвижными рабочими органами (рису-
нок 5, линия 2) оказывается (при прочих равных условиях) гораздо больше значений Рт , полученных при вибрирующих подрезающих ножах (рисунок 5, линия 1).
р,н
Рисунок 5 - График зависимости Рт = / (ф)
Если увеличивать частоту колебаний подрезающих ножей пн, то также возможна потеря преимуществ, связанных с активными рабочими органами корнеподрезчика из-за чрезмерного увеличения тягового сопротивления Рт . Так, при пн > 2000 мин-1 тяговое сопротивление в определённый момент времени будет равно 550.590 Н, что превышает значение тягового сопротивления Рт = 540 Н с неподвижными рабочими органами.
С учётом вышесказанного, для дальнейшего исследования принимались частоты колебаний подрезающих ножей в диапазоне пн =100.2000 мин-1 и угол поворота эксцентрика р = 1800. Целесообразность выбора такого значения угла объясняется следующим. При фиксированной частоте вращения и углах поворота эксцентрика р =00 и р =3600 величина тягового сопротивления Рт превышает величину Рт при угле р = 1800. Однако с технологической точки зрения, непосредственная подрезка корней осуществляется при максимальном погружении в почву вибрирующих ножей при углах р » 1800.
При анализе воздействия конструктивных и технологических параметров вибрационной подрезки корней на суммарные силы сопротивления перерезания корня и почвы режущим инструментом РсоПр было установлено, что наибольшее влияние на величину РсоПр оказывают силы сопротивления от прилипания почвы к поверхности ножа Рпрп (рис. 6).
Р,Н
—Рпрп Ринк —Рсмпк Ризгк —ж— Рсопр
ф
>0
Рисунок 6 - График зависимости РсоПр = f (ф)
Влияние сил сопротивления почвы смятию корнем растения Рсм п к
оказалось не столь значительным, а сил сопротивления корня изгибу Ризг к и сил инерции перерезаемого корня Ринк (рис. 7) практически равно нулю.
Ринк, Н
0,0000005
0,0000004 0,0000003 0,0000002 0,0000001
-0,0000001 -0,0000002 -0,0000003 -0,0000004 -0,0000005
Рисунок 7 - График зависимости Рин к = f (ф) ЬИр://е] .kubagro.ru/2012/04/pdf/02.pdf
- - ■ у 1 у Ч,_, , - -
0 3 0 6 0 9 о 1: !0 'И >0 1* Ю 2' 0 2* Ю 2 ’0 3( )о з; ю зе
Для оценки воздействия на суммарное тяговое сопротивление Рт геометрических параметров подрезающих ножей, а также физикомеханических свойств почвы и корней были построены соответствующие графические зависимости, анализ которых позволил выявить следующее. Увеличение геометрических параметров подрезающих ножей (например, толщины и ширины полотна ножа, радиуса затупления лезвия и т.д.) приводит к прямо пропорциональному увеличению силы, необходимой для перерезания режущим инструментом корней и почвы, а следовательно, и к возрастанию тягового сопротивления Рт . Аналогичная тенденция была прослежена и при исследовании влияния физико-механических свойств почвы и корней.
К примеру, увеличение диаметра перерезаемых корней (ширины реза) В приводит к резкому линейному возрастанию тягового сопротивления Рт (рис. 8). Увеличение количества одновременно перерезаемых корней к приводит к более плавному возрастанию тягового сопротивления, особенно при малых диаметрах перерезаемых корней, где такого возрастания практически не прослеживается.
Одной из важных физико-механических характеристик почвы является её липкость, которая может быть оценена при помощи коэффициента удельного прилипания Р0. Повышение влажности почвы приводит к возрастанию данного коэффициента, что, в свою очередь, влияет на увеличение суммарного тягового сопротивления Рт (рис. 9).
Рт, Н
Рисунок 9 - График зависимости Рт = / (Ро)
Возрастание при этом амплитуды колебаний лезвия ножа Бн (с 5 до 20 мм) приводит к более резкому линейному увеличению тягового сопротивления Рт . Таким образом, при прочих равных условиях (в том числе влажности) вибрационной подрезки корней целесообразно рекомендовать небольшие амплитуды колебаний лезвия ножа Бн.
При анализе воздействия технологических параметров вибрационной подрезки корней на суммарное тяговое сопротивление Рт можно отметить следующее. Увеличение амплитуды колебаний лезвия ножа Бн приводит к возрастанию тягового сопротивления Рт , особенно в зоне максимального погружения в почву вибрирующих ножей при углах р = 120...2400 (рис. 10). При углах р» 1800 и амплитуде 8н =18.20 мм значения тягового сопротивления становятся больше значений Рт для корнеподрезчиков с не-
подвижными рабочими органами, что указывает на необходимость ограничений максимальных амплитуд колебаний лезвия ножа 8н.
Рт, Н
550 540 530 520 510 500 490
Рисунок 10 - Г рафик зависимости Р^ = / (Sн, р)
В соответствии с расчётами, амплитуда колебаний Бн изменяется по параболической зависимости, при этом увеличение эксцентриситета г эксцентрика модели корнеподрезающей машины, сообщающего подрезающим ножам возвратно-поступательное движение, приводит к синхронному возрастанию амплитуды колебаний 8н (рис. 11) и общей траектории движения вертикально подрезающих ножей 8а^с, график которой построен для поступательной скорости трактора Уагр=1,5 км/ч (рис. 12).
Эн, мм Эабс, мм
!2 л 417,2
В целом, влияние амплитуды колебаний лезвия ножа 8н на суммарное тяговое сопротивление Рт при прочих равных условиях вибрационной подрезки корней является весьма неоднозначным.
При вибрационной подрезке корней амплитуда колебаний лезвия ножа Бн непосредственным образом влияет на глубину подрезки Н0. Рассмотрение графика зависимости суммарного тягового сопротивления от частоты колебаний подрезающих ножей пн и глубины подрезки Н0 выявило, что при неизменной амплитуде Бн (5 мм) увеличение параметра Н0 приводит к резкому возрастанию тягового сопротивления Рт во всём диапазоне изменения частоты колебаний подрезающих ножей пн (рис. 13).
Рт, н
Рисунок 13 - График зависимости Рт = / (Но, пн)
Однако при постоянной глубине подрезки в области малых частот колебаний подрезающих ножей пн увеличение амплитуды Бн приводит к увеличению тягового сопротивления Рт (рис. 14). С возрастанием частоты колебаний ножей до пн =950.1000 мин-1 значения тягового сопротивления стабилизируются и увеличение амплитуды Бн не приводит к возрастанию Рт . При дальнейшем увеличении частоты колебаний пн существует
тенденция к большему снижению силы тягового сопротивления (при возрастающих величинах амплитуды колебаний £ н).
■ 500-550
□ 450-500
■ 400-450
□ 350-400
□ 300-350
■ 250-300
□ 200-250
Рисунок 14 - График зависимости Рт = / (£ н, пн)
Таким образом, с учётом вышесказанного для дальнейшего исследования принимался диапазон частот колебаний подрезающих ножей пн = 1000... 2000 мин-1 при амплитудах колебаний лезвия ножа Бн = 5.15 мм.
Кроме рассмотренных параметров, на эффективность технологического процесса вибрационного подрезания корней оказывает влияние соотношение линейной скорости вертикальных колебаний подрезающих ножей Ун и поступательной скорости тракторного агрегата Уагр. Для обеспечения качественного подрезания саженцев со скольжением необходимо выполнение условия: Ун / Уагр > 1.
Как показали расчёты, линейная скорость вертикальных колебаний подрезающих ножей Ун, изменяясь по гармоническому закону, зависит от угла поворота р, а также, в немалой степени, от амплитуды колебаний лезвия ножа Бн (рис. 15).
С учетом полученной зависимости дальнейшие исследования проводились для максимально возможной при вибрационной подрезке корней скорости Ун, достигаемой при величине р = 900.
Ун, мм/с
70 •
60 50 40 30 20 10
-10
-20
-30
-40
-50
-60 -
-70
\
\\
£*Т
^ 3 и ь и У и -\* :и к >и и и 31
-8н=5 мм
- Зн=10 мм
- 8н=15 мм
- 8н=20 мм
Рисунок 15 - Г рафик зависимости Ун = / (р)
Для выявления зависимости линейной скорости вертикальных колебаний подрезающих ножей Ун от частоты их колебаний пн был построен соответствующий график (рис. 16). Предварительное рассмотрение факторов, влияющих на величину Ун , выявило, что геометрические параметры подрезающих ножей и их количество, а также физико-механические свойства почвы и корней заметного воздействия на параметр Ун не оказывают.
Л/н, мм/с
Анализ данной зависимости выявил следующее. Увеличение частоты вертикальных колебаний пн во всём диапазоне приводит к линейному возрастанию скорости колебаний Ун . При этом увеличение амплитуды колебаний лезвия ножа Бн способствует более интенсивному возрастанию скорости колебаний. Однако граничными условиями параметра Ун являются технологические скорости трактора Уагр = 1,5...2,5 км/ч, в соответствии с
которыми соотношение Ун / Уагр > 1 либо вообще не выполняется при амплитуде ножа Бн £ 5 мм, либо выполняется частично (при Уагр = 1,5 км/ч и
значениях пн > 1700 мин-1). При амплитуде хода ножа Бн > 10 мм соотношение Ун /Уагр > 1 начинает выполняться при величине пн = 800.1300
мин-1, а при дальнейшем увеличении амплитуды наблюдается ещё большее снижение допустимых значений пн до 300.600 мин-1.
Заключение. Таким образом, с учётом вышерассмотренных ограничений по частоте вертикальных колебаний подрезающих ножей (1000 £ пн £ 2000 мин-1) и амплитуде колебаний лезвия ножа (5 £ Бн £ 15 мм) для обеспечения эффективного процесса подрезания корней сеянцев со скольжением целесообразно рекомендовать следующие технологические параметры вибрационной подрезки:
- амплитуда колебания лезвия ножа должна быть 10 £ £н £ 15 мм. Уменьшение амплитуды до интервала 1 £ Бн < 10 мм нежелательно из-за возможного отсутствия резания корней со скольжением. Увеличение амплитуды до Бн > 15 мм нежелательно из-за получения недопустимо больших значений тягового сопротивления Рт ;
- частота вертикальных колебаний подрезающих ножей должна быть в пределах 1000 £ пн £ 1500 мин-1. Уменьшение частоты колебаний до интервала 300 £ пн < 1000 мин-1 нежелательно из-за потери преимуществ
вибрационной подрезки и возможного отсутствия резания корней со скольжением. Увеличение частоты колебаний до пн > 1500 мин-1 нежелательно из-за возникновения и чрезмерного возрастания инерционных нагрузок, а также получения недопустимо больших значений тягового сопротивления Рт ;
- при повышении влажности почвы амплитуду колебания лезвия ножа £н желательно принимать минимальной.
Список литературы
1. Драпалюк М.В. Влияние обрезки вершин на морфологические характеристики сеянцев дуба черешчатого / М.В. Драпалюк, В.Ю. Заплетин, О.М. Корчагин // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2006.- № 3. - С. 118-120.
2. Драпалюк М.В. Математическая модель процесса подрезки корней сеянцев и саженцев в питомниках / М.В. Драпалюк, П.И. Попиков, М.В. Кондратов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. -2006. - № 3. - С. 111-14.
3. Драпалюк М.В. Обоснование основных параметров рабочих органов машины для подрезки корней сеянцев дуба в питомниках лесостепи: Дисс. ... канд. техн. наук / Драпалюк Михаил Валентинович; науч. рук. И.М. Бартенев; Воронежская государственная лесотехническая академия. - Воронеж, 2000. - 180 с.
4. Драпалюк М.В. Совершенствование технологических операций и рабочих органов машин для выращивания посадочного материала и лесовосстановления: Дисс. ... докт. техн. наук / Драпалюк Михаил Валентинович; Воронежская государственная лесотехническая академия. - Воронеж, 2006.- 460 с.
5. Лесная энциклопедия: [В 2-х т.] / Гл. ред. Г.И. Воробьев; Ред. кол.: Н.А. Анучин, В.Г. Атрохин, В.Н. Виноградов и др. - М.: Сов. энциклопедия, 1985. - 563 с.
6. Платонова М.А. Кинематические и динамические факторы вибрационного процесса подрезания корней / М. А. Платонова, А.А. Платонов // Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка: Материалы Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. - СПб.: СПбГЛТУ, 2011. - С. 109-114.
