CC BY
27
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
1
УДК: 630
05.00.00 Технические науки
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ НА ВЫРУБКАХ
Махмутов Рамиль Мухаметович аспирант
Онучин Евгений Михайлович к.т.н., доцент
Медяков Андрей Андреевич к. т. н.
Каменских Александр Дмитриевич Аспирант
Поволжский государственный технологический университет, Йошкар-Ола, Россия
В статье приведены результаты оптимизации конструктивно-технологических параметров устройства для клумбовой обработки почвы на вырубках. Приводится описание подходов к моделированию процесса клумбовой обработки почвы, оптимизационной математической модели обработки почвы и полученных в процессе моделирования результатов
Ключевые слова: ИСКУССТВЕННОЕ ЛЕСОВОССТАНОВЛЕНИЕ, КЛУМБОВАЯ ОБРАБОТКА, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ОПТИМИЗАЦИЯ
UDC: 630 Technical sciences
OPTIMIZATION OF DESIGN AND TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF A DEVICE FOR SOIL TREATMENT ON TREE FELLING
Makhmutov Ramil Muhametovich postgraduate student
Onychin Evgeny Mihailovich Cand.Tech.Sci., assistant professor
Medyakov Andrei Andreevich Cand.Tech.Sci.
Kamenskih Alexander Dmytrievich postgraduate student
Volga state university of technology, loshkar-Ola, Russia
The results of the optimization of the design and technological parameters of a device for circular soil tillage in forest cutovers have been obtained. The description of the approaches to modeling of circular soil tillage, optimization mathematical model of soil tillage and obtained results are given in the article
Keywords: ARTIFICIAL REGENERATION, CIRCULAR SOIL PROCESSING, MATHEMATICAL MODELING, OPTIMIZATION
Площади вырубаемых лесов в нашей стране ежегодно
восстанавливаются естественным и искусственным путем. При
искусственном лесовосстановлении решаются задачи создания
продуктивных и устойчивых насаждений, а также максимальное использование потенциала лесорастительных условий и сохранения экологической обстановки лесокультурных площадей. Обработка почвы является необходимой операцией при искусственном лесовосстановлении.
Общая цель обработки почвы сводится к улучшению их физических свойств, водного и теплового режима, водного и минерального питания культур, активизации деятельности микроорганизмов в почве, а также к устранению вредного влияния на культуры травянистой растительности.
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/08.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
2
Большинство машин для обработки почвы применяемых в настоящее время, требуют очистку вырубки от пней и порубочных остатков, так же существуют ряд машин способных работать на не раскорчёванных вырубках с количеством пней до 600 на га.
Разработанное устройство может работать на вырубках с количеством пней более 600 на га. Это достигается использованием рабочих органов с изменяемыми параметрами. [1-6]
Рисунок 1 - Внешний вид машинно-тракторного агрегата для обработки почвы
круговыми площадками
Машинно-тракторный агрегат (рисунок 1) состоит из базовой машины и устройтсва, состоящего из рамы, имеющей возможность отклонения от продольной оси при помощи гидроцилиндров, на которой установлена балка имеющая возможность неограниченного вращения вокруг оси. На балке установлены рабочие органы, состоящие из дискового ножа, стойки
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/08.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
3
и узла поворота дискового ножа. Рабочие органы перемещаются вдоль балки посредством гидроцилиндров. Вращение балки осуществляется посредством цепной передачи от редуктора с приводом от вала от отбора мощности.
Технологическая схема работы машинно-тракторного агрегата для обработки почвы круговыми площадками представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Схема работы машинно-тракторного агрегата для обработки почвы
круговыми площадками
Машинно-тракторный агрегат на лесокультурной площади занимает рабочую позицию, и при этом и корпус плуга и дисковый нож находятся в положении наиболее близком к вертикальному шарниру. После этого включается привод вращения горизонтальной балки вокруг вертикального шарнира, и с помощью подъёмно-навесной системы происходит опускание вращающегося плуга до заглубления корпуса плуга и дискового ножа в почву на заданную глубину. Далее включаются гидроцилиндры привода корпуса плуга и дискового ножа, перемещающие их синхронно с вращением горизонтальной балки к крайним положениям, в процессе чего
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/08.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
4
происходит вспашка почвы в круговой области под вращающимся плугом. После окончания пахоты вращающийся плуг поднимается с помощью подъёмно-навесной системы в транспортное положение. Произведя обработку почвы на одной рабочей позиции, машинно-тракторный агрегата переезжает на следующую, на которой цикл повторяется.
Блок-схема модели технологического процесса обработки почвы круговыми площадками представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Блок-схема технологического процесса вспашки вырубки
Основные технологические операции связаны с подготовкой рабочих органов к вспашке и обратно к переезду: переход рабочих органов из транспортного положения в рабочее, разгон органов и их заглубление,
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/08.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
5
затем непосредственно осуществляется вспашка, торможение органов и перевод их в транспортное положение. На основе приведённых схем функционирования машинно-тракторного агрегата для обработки почвы круговыми площадками была реализована в Microsoft Office Excel математическая модель, описывающая затраты ресурсов на выполнение операций обработки, внешний вид модели приведен на рисунке 4.
Рабочий орган, м 1 2 3
Площадка, м2 0,785 3,14 7,065
Сила сопротивления земли, кН 2Д 2Д 2Д
Количество оборотов в с. 2 2 2
Мощность на обработку, кВт 6,597344573 13,19468915 19,79203372
В л.с. 9,037458319 18,07491664 27,11237496
Количество оборотов на 1 площадку, шт. 8 15 22
Время обработки, с 16 30 44
Время заглубления, подъема,с 5 5 5
Время возврата, с 10 20 30
Масса, кг 500 500 500
сила сопротивления, Н 2500 2500 2500
скорость перемещения, м/с 2,638937829 5,277875658 7,916813487
км/ч 9,500176184 19,00035237 28,50052855
скорость переезда, с 3,789403407 17,05231533 30,31522726
коэффициент обработки 0,5 0,5 0,5
Число переездов на га 25478 6370 2831
Число тракторов, шт. 11,92835172 0 49,65094557 Сумма
Материалоемкость, кг 5964,175858 0 24825,47278 30789,65
Количество дней работы, дн 10 10 10
Время работы (сутки, 8 ч), с 28800 28800 28800
Время на 1 площадку, с 34,78940341 72,05231533 109,3152273
Кол-во площадок за смену, шт. 827 399 263
Обработанная площадь, м2 77438,26292 0 922561,7371 1000000
Потраченная мощность, МДж 22664,28858 0 283015,6384 305679,9
■ ниш
Рисунок 4 - Общий вид разработанной математической модели
Для оптимизации конструктивно-технологических параметров
устройства для обработки почвы на вырубках в рамках математической
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/08.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
6
модели рассматривались 3 типа установок, рассчитанных для обработки почвы площадками диаметром 1, 2 и 3 м. Для каждого типа установок были определены требуемые мощности установок, временные параметры обработки, материалоемкость. Затем в рамках оптимизации рассматривалась наиболее эффективная комбинация машин, необходимая для обработки вырубки различной площади в течение 10 дней.
В качестве критерия оптимизации были выбраны минимальные значения материалоемкости и энергоемкости, описанные в рамках одного комплексного критерия.
Результаты оптимизации для площади вырубки 10 га с использованием встроенной функции «Поиск решения» приведены на рисунке 5, для площади 50 га на рисунке 6, для площади 100 га на рисунке
7. В рамках оптимизации установлено, что наиболее эффективной комбинацией обрабатывающих машин для площади обработки 10 га и продолжительность 10дн. будет 2 машины с рабочим органом размерами 1 м и 5 машин с рабочим органом размером 3 м.
Для площади обработки 50 га и продолжительность 10дн. оптимальным сочетанием будет 6 машины с рабочим органом размерами 1 м и 25 машин с рабочим органом размером 3 м.
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/08.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
7
Результат: Решение найдено. Все ограничения и условия оптимальности выполнены.
Модуль поиска решения
Модуль: Поиск решения нелинейных задач методом ОПГ Время решения: 0 секунд.
Число итераций: 3 Число подзадач: 0 Параметры поиска решения
Максимальное время Без пределов, Число итераций Без пределов, Precision 0,000001
Сходимость 0,0001, Размер совокупности 100, Случайное начальное значение 0, Центральные производные
Максимальное число подзадач Без пределов, Максимальное число целочисленных решений Без пределов, Целочисленное отклонени
Ячейка целевой функции (Минимум)
Ячейка Имя Исходное значение Окончательное значение
$Е$35 Сумма 0 111744,2968
а)
Ячейки переменных
Ячейка Имя Исходное значение Окончательное значение Целочисленное
$В$25 Число тракторов, шт. 0 1,193708787 Продолжить
$С$25 Число тракторов, шт. 0 0 Продолжить
$D$25 Число тракторов, шт. 0 4,964789327 Продолжить
Ограничения
Ячейка Имя Значение ячейки Формула Состояние Допуск
$В$28 Количество дней работы, дн 10 $В$28>=0 Без привязки 10
$Е$33 Обработанная площадь, м2 Сумма 100000 $E$33=$F$33 Привязка 0
$В$25 Число тракторов, шт. 1,193708787 $В$25>=0 Без привязки 1,193708787
$С$25 Число тракторов, шт. 0 $С$25>=0 Привязка 0
$D$25 Число тракторов, шт. 4,964789327 $D$25>=0 Без привязки 4,964789327
б)
Рисунок 5 - Результаты оптимизации по комплексному критерию с нулевых (а) и отчет об устойчивости (б) для площади вырубки 10 га
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/08.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
8
Результат: Решение найдено. Все ограничения и условия оптимальности выполнены.
Модуль поиска решения
Модуль: Поиск решения нелинейных задач методом ОПГ Время решения: 0,016 секунд.
Число итераций: 3 Число подзадач: О Параметры поиска решения
Максимальное время Без пределов, Число итераций Без пределов, Precision 0,000001
Сходимость 0,0001, Размер совокупности 100, Случайное начальное значение 0, Центральные производные
Максимальное число подзадач Без пределов, Максимальное число целочисленных решений Без пределов, Целочисленное отклонени Ячейка целевой функции (Минимум)
Ячейка Имя Исходное значение Окончательное значение
$Е$35 Сумма 0 558721,4838
а)
Ячейки переменных
Ячейка Имя Исходное значение Окончательное значение Целочисленное
$В$25 Число тракторов, шт, 0 5,965811458 Продолжить
$€$25 Число тракторов, шт. 0 0 Продолжить
$D$25 Число тракторов, шт, 0 24,82490133 Продолжить
Ограничения
Ячейка Имя Значение ячейки Формула Состояние Допуск
$В$28 Количество дней работы, дн 10 $В$28>=0 Без привязки 10
$Е$33 Обработанная площадь, м2 Сумма 500000 $E$33=$F$33 Привязка 0
$В$25 Число тракторов, шт. 5,965811458 $В$25>=0 Без привязки 5,965811458
$€$25 Число тракторов, шт. 0 $С$25>=0 Привязка 0
$D$25 Число тракторов, шт. 24,82490133 $D$25>=0 Без привязки 24,82490133
Ячейки переменных
б)
Окончательное При веденн.
Ячейка Имя Значение Градиент
$В$25 Число тракторов, шт. 5,965811458 0
$С$25 Число тракторов, шт. 0 8,771168857
$D$25 Число тракторов, шт. 24,82490133 0
граничения
Окончательное Лагранжа
Ячейка Имя Значение Множитель
$В$28 Количество дней работы, дн 10 0
$Е$33 Обработанная площадь, м2 Сумма 500000 1,117443038
Рисунок 6 - Результаты оптимизации (а) и отчет об устойчивости (б) для
площади вырубки 50 га
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/08.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
9
Результат: Решение найдено. Все ограничения и условия оптимальности выполнены.
Модуль поиска решения
Модуль: Поиск решения нелинейных задач методом ОПГ Время решения: 0,047 секунд.
Число итераций: 3 Число подзадач: 0 Параметры поиска решения
Максимальное время Без пределов, Число итераций Без пределов, Precision 0,000001
Сходимость 0,0001, Размер совокупности 100, Случайное начальное значение 0, Центральные производные
Максимальное число подзадач Без пределов, Максимальное число целочисленных решений Без пределов, Целочисленное отклонени Ячейка целевой функции (Минимум)
Ячейка Имя Исходное значение Окончательное значение
$Е$35 Сумма 0 1117442,968
чейки переменных
Ячейка Имя Исходное значение Окончательное значение Целочисленное
$В$25 Число тракторов, шт. 0 11,92835172 Продолжить
$С$25 Число тракторов, шт, 0 0 Продолжить
$D$25 Число тракторов, шт, 0 49,65094557 Продолжить
Ограничения
а)
Ячейка Имя Значение ячейки Формула Состояние Допуск
$В$28 Количество дней работы, дн 10 $В$28>-0 Без привязки 10
$Е$33 Обработанная площадь, м2 Сумма 1000000 $E$33=$F$33 Привязка 0
$В$25 Число тракторов, шт. 11,92835172 $В$25>-0 Без привязки 11,92835172
SCS25 Число тракторов, шт. 0 $С$25>-0 Привязка 0
$Е>$25 Число тракторов, шт, 49,65094557 $DS25>=0 Без привязки 49,65094557
Ячейки переменных
Окончательное Приведенн.
Ячейка Имя Значение Г радиент
$В$25 Число тракторов, шт. 11,92835172 0
$С$25 Число тракторов, шт. 0 8,771163857
$□$25 Число тракторов, шт. 49,65094557 0
граничения
Окончательное Лагранжа
Ячейка Имя Значение Множитель
$В$28 Количество дней работы, дн 10 0
$Е$33 Обработанная площадь, м2 Сумма 1000000 1,117443038
б)
Рисунок 7 - Результаты оптимизации (а) и отчет об устойчивости (б) для
площади вырубки 100 га
Для площади обработки 100 га и продолжительность 10дн. Оптимальное количество машин составит 12 машин с рабочим органом размерами 1 м и 50 машин с рабочим органом размером 3 м.
Таким образом, представленные подходы оптимизации могут быть использованы для подбора оптимальных комбинаций обрабатывающих машин для любых условий работы. Результаты, получаемые при оптимизации, определяются конкретными условиями моделирования, являются повторяемыми и имеют явную зависимость, в рамках которой
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/08.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
10
количество машин увеличивается с увеличением обрабатываемой площади.
Библиографический список
1. Жуков, А.В. Теория лесных машин / А.В.Жуков. - Минск: БГТУ, 2001. -640 с.
2. Ширнин, Ю.А. Процессы комплексного освоения участков лесного фонда при малообъемных лесозаготовках: Научное издание / Ю.А.Ширнин, К.П.Рукомойников, Е.М.Онучин; Под ред. Ю.А.Ширнина. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. - 196 с.
3. Сидыганов, Ю.Н. Модульные машины для рубок ухода и лесовосстановления: монография / Ю.Н.Сидыганов, Е.М.Онучин, Д.М.Ласточкин. - Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2008. - 336 с.
4. Александров, В.А. Механизация лесосечных работ в России / В.А.Александров. - СПб.: СПбЛТА, 2000. - 208 с.
5. Александров, В.А. Модифицированные сельскохозяйственные тракторы для
лесозаготовок / В.А.Александров, Н.А.Гуцелюк, С.Ф.Козьмин. - М.:
ВНИПИЭИлеспром, 1986. - 24 с.
6. Заикин, А. Н. Теория, методы и модели интенсификации лесосечных работ, монография / А.Н. Заикин. - Брянск: БГИТА, 2009. - 212 с.
References
1. Zhukov, A.V. Teorija lesnyh mashin / A.V.Zhukov. - Minsk: BGTU, 2001. -640 s.
2. Shirnin, Ju.A. Processy kompleksnogo osvoenija uchastkov lesnogo fonda pri maloob#emnyh lesozagotovkah: Nauchnoe izdanie / Ju.A.Shirnin, K.P.Rukomojnikov, E.M.Onuchin; Pod red. Ju.A.Shirnina. - Joshkar-Ola: MarGTU, 2005. - 196 s.
3. Sidyganov, Ju.N. Modul'nye mashiny dlja rubok uhoda i lesovosstanovlenija: monografija / Ju.N.Sidyganov, E.M.Onuchin, D.M.Lastochkin. - Joshkar-Ola: Marijskij gosudarstvennyj tehnicheskij universitet, 2008. - 336 s.
4. Aleksandrov, V.A. Mehanizacija lesosechnyh rabot v Rossii / V.A.Aleksandrov. -SPb.: SPbLTA, 2000. - 208 s.
5. Aleksandrov, V.A. Modificirovannye sel'skohozjajstvennye traktory dlja lesozagotovok / V.A.Aleksandrov, N.A.Guceljuk, S.F.Koz'min. - M.: VNIPIJellesprom, 1986. - 24 s.
6. Zaikin, A. N. Teorija, metody i modeli intensifikacii lesosechnyh rabot, monografija / A.N. Zaikin. - Brjansk: BGITA, 2009. - 212 s.
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/08.pdf
