Оптимизация конструкции кустореза с упорами-улавливателями порослевин на основе лабораторных экспериментов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.542

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ КУСТОРЕЗА С УПОРАМИ-УЛАВЛИВАТЕЛЯМИ ПОРОСЛЕВИН НА ОСНОВЕ ЛАБОРАТОРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

UDC 631.542

OPTIMIZATION OF А BUSH CUTTER EQUIPMENT WITH VEGETATION SUPPORTING DEVICE ON THE BASIS OF LABORATORY EXPERIMENTS

Малюков Сергей Владимирович аспирант

ГОУВПО "Воронежская государственная лесотехническая академия ", Воронеж, Россия

На основе лабораторного экспериментального исследования определены оптимальные параметры кустореза с упорами-улавливателями порослевин. Исследовано влияние частоты вращения фрезы, скорости подачи порослевин на фрезу, высоты установки упоров-улавливателей по отношению к оси фрезы, зазора между упором-улавливателем и фрезой на показатели качества удаления поросли и энергетические затраты

Ключевые слова: КУСТОРЕЗ, ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ, ОПТИМИЗАЦИЯ, УПОРЫ-УЛАВЛИВАТЕЛИ ПОРОСЛЕВИН

Malyukov Sergey Vladimirovich postgraduate student

Voronezh State Academy of Forestry Engeneering, Voronezh, Russia

On the basis of a laboratory experimental research optimum parameters of a bush cutter with vegetation supporting device are defined. Influence frequency of a rotation cutter, speed of giving vegetation on a cutter, heights of installation supporting device in relation to an axis of a cutter, a backlash between supporting device and a cutter on indicators quality of remove the shoots and power expenses is investigated

Keywords: BUSH CUTTER, LABORATORY EXPERIMENT, OPTIMIZATION, VEGETATION SUPPORTING DEVICE

В лесном хозяйстве при выращивании молодых сеянцев необходимо устранять нежелательную кустарниковую растительность в междурядьях. Существующие кусторезы и осветлители, например, кусторез-осветлитель КОМ-2,3, не удаляют некоторую долю порослевин, особенно имеющих малое сопротивление изгибу [1]. Такие порослевины отклоняются и не перерезаются полностью ножами кустореза, поэтому продолжают расти после прохода. Это приводит к снижению срока между проходами и увеличению их количества.

В кусторезе новой конструкции, предложенном нами ранее, создаются благоприятные условия для срезания поросли, и таким образом повышается эффективность работы кустореза. Новизна кустореза заключается в установке специальных упоров-улавливателей перед режущим рабочим органом типа цилиндрической фрезы (рис. 1). Упоры-улавливатели обеспечивают подпор поросли при фрезеровании и более полное ее уничтожение. При этом упоры-улавливатели выполнены в виде двугранного

клина с поперечной пластиной. Упоры-улавливатели установлены в ряд и одновременно захватывают весь набегающий на кусторез поток порослевин. Центральный угол при вершине клина выбирается равным половине или менее угла трения древесины по стали, что обеспечивает свободный проход порослевин и исключает сгруживание их между упорами-улавливателями.

Кусторез (рис. 2) изготовлен и испытан в лабораторных условиях. Фреза приводится во вращение гидромотором, частоту вращения которого можно изменять регулировкой подачи насосной станции. Подача платформы с закрепленными на ней в ряд порослевинами осуществляется электродвигателем через трос и систему блоков. Напряжение на тензоэлементах, установленных в узле привода фрезы, автоматически считывается устройством ADAM и преобразуется на компьютере в зависимость момента сопротивления на фрезе от времени M(t) [2, 3].

Рис. 1. Упоры-улавливатели кустореза новой конструкции

Рис. 2. Внешний вид лабораторной установки для оптимизации параметров кустореза новой конструкции

Интегрирование данной зависимости позволяет определить среднюю потребляемую кусторезом мощность N при срезании ряда порослевин.

1 t2

N =------J M(t) • w0 ■ dt,

t2 - t1 t1

где t1 и t2 - моменты времени, в которые фреза начинает и заканчивает контактировать с порослевинами; ю0 - угловая скорость вращения фрезы.

Первые эксперименты показали, что кусторез новой конструкции удаляет поросль эффективнее серийного прототипа КОМ-2,3. Наличие упоров-улавливателей приводит к прижиманию порослевин к фрезе и вероятность удаления поросли заметно повышается.

Цель данной работы заключалась в определении оптимальных конструктивных и эксплуатационных параметров кустореза на основе экспе-

риментального лабораторного исследования.

С точки зрения оптимизационной постановки задачи можно выделить три группы переменных, характеризующих эксперимент [4]. Первая группа представляет совокупность конструктивных и технологических параметров кустореза, которые могут быть заданы на необходимых уровнях в процессе проведения эксперимента. Из большого количества доступных к изменению параметров выбраны четыре основных фактора, оказывающих наиболее существенное влияние на эффективность процесса удаления порослевин:

ш0 - частота вращения фрезы;

упод - скорость подачи порослевин на фрезу;

^ - высота установки упоров-улавливателей по отношению к оси фрезы;

/у - зазор между упором-улавливателем и фрезой.

Во вторую группу входят параметры порослевин, которые можно изменять подбором подходящих порослевин:

П - порода древесины;

dn - характерный диаметр порослевин;

hn - характерная высота порослевин.

^ - плотность порослевин (количество на единицу площади).

К третьей группе (показатели эффективности) относятся характеристики процесса удаления поросли, подлежащие измерению в ходе экспериментальных исследовний. В качестве них приняты:

p - вероятность удаления порослевины кусторезом (показатель качества работы кустореза);

N - затрачиваемая кусторезом мощность (показатель экономичности кустореза).

Задача оптимизации заключается в том, чтобы найти оптимальные диапазоны параметров кустореза (факторов), так чтобы показатели эффек-

тивности (критерии) были наилучшими и при этом желательно, чтобы кусторез был эффективен независимо от значений параметров поросли. Аналитически задача оптимизации записывается следующим образом [5, 6].

" -р(®0. > h. lу)® max;

_ N Ц, . hy >lу )® min;

p ® C0nst(n, dп, h„, Nn );

_ N ® c0nst(n,dп, hn, Nп).

Поиск двойного оптимума в четырехфакторном пространстве с условиями независимости от еще четырех факторов является чрезвычайно сложной задачей [7]. В лабораторном эксперименте такая задача была решена в два этапа. На первом этапе исследованы зависимости от каждого отдельного фактора: ю0, упод, ку, /у, П, dn, кп, Nu. Каждый из перечисленных факторов варьировался на 3 ... 10 уровнях при фиксированных значениях остальных факторов, и делался соответствующий вывод о наилучшем значении параметров кустореза ю0, упод, ку, /у или о влиянии параметров поросли П, dn, hn, Nn. На втором этапе были решены две частные двухфакторные задачи оптимизации:

|pЦ»v„o0)® max; |p(hy,ly)® max;

1 [NЦ,Пы)® rnin. 2' IN{hy , /у)® min.

При этом конструктивные параметры удалось разбить на две практически независимых друг от друга группы: кинематические параметры ю0, упод и параметры установки упора-улавливателя hy, /у.

Остановимся подробно только на результатах решения второй задачи оптимизации, так как элементы новизны кустореза связаны именно с уста-

новкой упоров. Малое количество находящихся в рассмотрении факторов позволило провести полный факторный эксперимент. Для этого была проведена серия экспериментов в пределах которой Ну варьировали на уровнях: -4, 0, 4 см, 1у варьировали на уровнях 2, 4, 6 см (табл. 1).

Табл. 1. Результаты экспериментального исследования влияния параметров установки упора-улавливателя на эффективность кустореза

№ Ну, см /у, см Р(Иу, /у) И(ку, /у), кВт

1 -4 2 0,83 2,61

2 -4 4 0,81 2,12

3 -4 6 0,79 1,90

4 0 2 0,94 3,27

5 0 4 0,85 2,77

6 0 6 0,81 2,60

7 4 2 0,99 3,54

8 4 4 0,99 3,04

9 4 6 0,97 2,80

Для корректного расчета вероятности удаления р в каждой экспериментальной точке (Ну, /у) проведено по пять отдельных экспериментов по удалению кусторезом восьми закрепленных в ряд порослевин. Порода древесины порослевин - осина, диаметр - около 1,0 см.

Для удобства анализа результаты эксперимента аппроксимированы полиномом второго порядка с помощью метода наименьших квадратов с использованием математического пакета МаШСАО 2000 [3]:

р(Иу, /у) = 1,88-10-3 Ну1 + 9,47-Ю-4 /у2 +7,62-10-4 ку /у +

+ 0,018 Ну - 0,023 Ну + 0,941;

И(НУ, /у) = -0,013 Ну2 + 0,036 /у2 -9,95-Ю-4 Ну /у + 0,118 Ну -

- 0,46 Ну + 4,07.

В данных формулах ку и 1у измеряются в сантиметрах, N в киловаттах.

Благодаря малому количеству факторов появляется возможность графически изобразить поверхности отклика р(Иу, /у) и ^Ну, /у) и провести их визуальный анализ (рис. 3). Кроме того, на рис. 4 представлены поверхности отклика в виде линий уровня.

Основным фактором, определяющим вероятность удаления поросле-вины является высота расположения упора по отношению к оси фрезы Ну (рис. 3, а, 4, а). С увеличением Ну возрастает вероятность р так как высокое расположение упора не дает отклоняться порослевинам. При этом, с увеличением Ну, увеличивается также и потребляемая кусторезом мощность N, так как необходимо не просто отклонить порослевину, а качественно ее срезать (рис. 3, б, 4, б). Кроме того, мощность N увеличивается с уменьшением расстояния от упора до фрезы /у. При малых расстояниях /у поросле-вина находится в плотном контакте с упором и фрезой, что затрудняет сре-

Рис. 3. Поверхности отклика к оптимизации параметров установки упора-улавливателя

зание и требует больших затрат мощности. При больших же расстояниях /у порослевина находится в менее поджатом состоянии, поэтому процесс сре-

4 2

4 2

а

б

зания проходит с меньшими затратами мощности.

На рис. 4, а, б затемнены благоприятные области факторного пространства. В качестве границ областей выбраны изолинии р = 0,90 (достаточно высокая вероятность удаления порослевины) и N = 3,0 кВт (достаточно низкая потребляемая мощность). На рис. 4, в приведено пересечение благоприятных областей. В наиболее затемненной области достаточно велика вероятность удаления порослевины, и в то же время достаточно мала потребляемая мощность. Оптимальная область имеет расположена ориентировочно при 1,0 < ку < 4,0 см и 3,5 < 1у < 8,0 см.

/у, см

5 Н 4 3 2

-4

0 2 ку, см

рФу, /у)

а

у

/у, см

-4

0 2 ку, см

Щку, /у), кВт б

ЩНу, /у) П ЩНу, /у) в

Рис. 4. Благоприятные области факторного пространства (Иу, /у) (затемнены) на поверхностях отклика, представленных линиями уровня

Таким образом, на основе проведенного лабораторного эксперимен-

тального исследования можно рекомендовать высоту установки упоров-улавливателей от 1 до 4 см вверх относительно оси фрезы; и зазор между упором и фрезой от З,5 до 8,0 см. При такой установке упоров-улавливателей порослевины гарантированно удаляются (вероятность более 0,9) и, одновременно, невелика мощность потребляемая кусторезом (менее З кВт).

Список литературы

1. Бартенев, И.М. Система машин для лесного хозяйства и защитного лесоразведения [Текст] : учеб. пособие / И.М. Бартенев, М.В. Драпалюк, М.Л. Шабанов; ГОУ ВПО ВГЛТА. - Воронеж, 2010. - 215 с.

2. Технологии и механизация лесохозяйственных работ [Текст] : учеб. пособие / И.М. Бартенев, М.В. Драпалюк, П.Э. Гончаров, С.В. Дорохин, В.А. Смирнов; ГОУ ВПО ВГЛТА. - Воронеж, 2010. - 1З6 с.

3. Бухтояров, Л. Д. Математическое моделирование при проектировании лесных

машин [Текст] : метод. указания / Л. Д. Бухтояров, П. И. Попиков, Р.В. Юдин; ГОУ

ВПО ВГЛТА. - Воронеж, 2009. - 95 с.

4. Федоров, В.В. Теория оптимального эксперимента [Текст] : учеб./ В.В. Федоров. - М.: ГРФМЛ изд-ва Наука, 1971. - З12 с.

5. Финни, Д. Введение в теорию планирования экспериментов [Текст] : учеб./ Д. Финни. Пер. с англ. - М.: ГРФМЛ изд-ва Наука, 1970. - 2S7 с.

6. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст] : учеб./ Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. - М.: Наука, 1976. - 279 с.

7. Мельников, С. В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов [Текст] : учеб. пособие / С. В. Мельников, В. Р. Алешкин, П. М. Рощин - Л. : Колос, 19S0. - 16S с.