CC BY
37
УДК 631.542
UDC 631.542
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПНОГО КУСТОРЕЗА С РУБЯЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ НА ОСНОВЕ ЛАБОРАТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
OPTIMIZATION OF PARAMETERS OF CHAIN BRUSH CUTTER WITH CHOPPING ELEMENTS BASED ON LABORATORY EXPERIMENT STUDY
Полев Виктор Сергеевич аспирант
ГОУВПО "Воронежская государственная лесотехническая академия ", Воронеж, Россия
Polev Victor Sergeevich postgraduate student
Voronezh State Academy of Forestry Engeneering, Voronezh, Russia
Проведена оптимизация конструктивных параметров цепного кустореза с рубящими элементами. Определены оптимальные частота вращения цепного барабана, скорость движения кустореза, просвет между цепным барабаном и
The optimization of constructive parameters of chain brush cutter with chopping elements has been
performed. The optimal rotating speed of chain reel, speed of brush cutter and clearance between chain reel and surface has been found
почвой
Ключевые слова: КУСТОРЕЗ, ОСВЕТЛИТЕЛЬ, РУБЯЩИЙ ЭЛЕМЕНТ, ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ, ОПТИМИЗАЦИЯ
Keywords: BRUSH CUTTER, BRIGHTENER, CHOPPING ELEMENT, LABORATORY EXPERIMENT, OPTIMIZATION
При выращивании лесных культур необходимым является агротехнический уход за ними, который проводится в целях предотвращения зарастания поверхности почвы сорной травянистой и древеснокустарниковой растительностью, накопления влаги в почве и т.п. Для механизации агротехнических уходов за культурами на вырубках в настоящее время применяются различные средства механизации, такие как дисковые орудия, фрезерные машины, тракторные кусторезы и др.
В существующих кусторезах, в частности осветлителе цепном ОЦ-2,3, в качестве рубящих органов применяют обычные цепи. При этом кусторез обладает высокой энергоемкостью, так как цепь ударяет по ветвям и ломает их, не перерезая. А применение ненадежной конструкции предохранительного устройства ведет к поломкам рабочих органов и приводов машин [1].
Ранее нами разработана новая конструкция рабочих органов кустореза [2, 3], в которой вместо цепей используются массивные ножи, имею-
щие шесть режущих дугообразных кромок, соединенных скобами, и в целом образующие аналог цепи. Барабан кустореза состоит из двух подпружиненных между собой частей, одна из которых подвижна в подшипнике вдоль оси вала и ведущего диска, выполненного на шлицевом соединении приводного вала и поджатого пружиной. Первые эксперименты в лабораторных условиях позволили убедиться в высокой эффективности предложенного кустореза.
Для определения оптимальных конструктивных и эксплуатационных параметров рабочих органов новой конструкции изготовлена лабораторная установка (рис. 1).
Рис. 1. Установка для лабораторного исследования кустореза новой конструкции: 1 - рама; 2 - ценой барабан; 3 - цепи, состоящие из рубящих элементов; 4 - защитный кожух; 5 - электродвигатель привода платформы с порослевинами; 6 - тросиковый привод платформы; 7 - платформа с по-рослевинами; 8 - гидронасосная станция; 9 - гидромотор; 10 - ременная передача; 11 - провода от датчиков к компьютеру; 12 - ртутный токосъемник
Установка включает в себя цепной барабан, механизм привода бара-
бана, механизм подачи, вал снятия показаний с датчиков. Цепной барабан
2, вал которого закреплен в подшипниках на раме 1, состоит из двух цепей
3, состоящих в свою очередь из рубящих элементов. Барабан кустореза приводится в движение через ременную передачу 10 от гидромотора 9 типа II М 20, питаемого от регулируемого насоса 8 типа II Д 20, который подает рабочую жидкость через трубопроводы.
Механизм подачи включает в себя подвижную платформу 7 с закрепленными на ней порослевинами, соединенную с помощью троса 6 с электродвигателем АИР 100Ь6У2 5. Закрепленная поросль подается в направлении рабочего органа, вращающегося относительно неподвижно закрепленной оси. Частота вращения электродвигателя задает скорость подачи платформы, которая регулируется с помощью частотного преобразователя "СошЫУапо СУ-7300ЕУ" фирмы "СошЬагсо". Показания с тензо-датчиков, установленных в местах крепления цепей, снимаются через ртутный токосъемник 12 и передаются на компьютер по проводам 11.
Целью работы являлось определение на основе лабораторных экспериментов оптимальных конструктивных и эксплуатационных параметров кустореза новой конструкции.
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин ВГЛТА. Перед проведением опытов были заготовлены испытуемые образцы поросли пород дуб и сосна, в учебно-опытном лесхозе ВГЛТА. Порослевины выбирались здоровые без пороков. Все опыты по удалению поросли проводились для вертикального положения порослевин.
Порядок проведения каждого опыта был следующим:
1. Набор порослевин, имитирующий кустарниковую поросль с определенными таксационными параметрами, жестко закреплялся в зажимном устройстве на подающей платформе.
2. На компьютере последовательно включались программы, считы-
вающие и записывающие сигналы, приходящие от датчика давления и датчика силы натяжения цепи.
3. Включался электродвигатель насосной станции и начиналась подача рабочей жидкости в гидромагистраль, что приводило во вращение вал гидромотора с закреплённым на нем цепным барабаном.
4. При этом фотографировали цифровым фотоаппаратом порослеви-ны до эксперимента, во время эксперимента и после эксперимента, одновременно записывали видеоизображение рабочей области кустореза.
5. Платформа с порослевинами приводилась в движение электродвигателем, и происходило перерубание порослевин.
6. Зависимости от времени давления и усилия на рабочем органе записывались на компьютер, начиная с холостого разгона рабочего органа, продолжая удалением порослевин и заканчивая выключением электродвигателя.
7. Выключался электродвигатель насосной гидростанции, после чего опыт повторялся заново с этими же или другими параметрами процесса, рабочего органа или набора порослевин.
Результатом каждого опыта являлись, два записанных компьютером графика Р(?) и Д?), а также фотоматериалы, фиксирующие характер измельчения порослевин (для последующей оценки качества удаления).
Для минимизации количества экспериментов было выполнено планирование экспериментального исследования [4, 5]. Наиболее важными параметрами кустореза являются: частота вращения цепного барбаана ю0, скорость подачи порослевин ух, и просвет между цепями барабана и уровнем почвы НБ. Наиболее важными показателями эффективности кустореза являются: /щ - средняя длина щепы; НП - средняя высота остатков порослевин; N - потребляемая кусторезом мощность. Таким образом, экспериментальная задача оптимизации формулируется следующим образом [4]:
7 щ («о, V,, кБ)® т1п;
<кп (®о, ух , Нб )® тт;
. N («0, ^, Нб )® т*п-
Результаты трехфакторного экспериментального исследования, в соответствии с матрицей планирования, представлены в табл. 1.
Табл. 1. Результаты оптимизационного экспериментального исследо-
вания
Номер эксп-та «0, об/с ^х, м/с Нб, см /щ, см Нп, см N, кВт
1 10 0,7 10 19 8,1 6,4
2 7 0,4 7 39 35,4 8,2
3 13 0,4 7 9 5,7 14,1
4 7 1,0 7 41 38,8 13,5
5 13 1,0 7 11 8,7 18,9
6 7 0,4 13 42 39,0 2,9
7 13 0,4 13 13 8,8 9,0
8 7 1,0 13 45 41,5 7,7
9 13 1,0 13 17 11,3 14,2
10 5 0,7 10 61 60,5 3,3
11 15 0,7 10 8 6,9 13,5
12 10 0,2 10 15 7,3 4,8
13 10 1,2 10 22 10,8 12,5
14 10 0,7 5 16 6,3 14,5
15 10 0,7 15 22 10,8 5,8
По полученным результатам найдены аналитические выражения критериев /щ, Нп, N от факторов ю0, ух, Нб в виде полиномов второго порядка. Для аппроксимации был использован метод наименьших квадратов в математическом пакете МаШСАО 2000 и получены следующие выражения
[5, 6]:
/щ(©0, ^х, Нб) = 0,707 ®02 + 6,699 ух2 + 0,087 Нб2 + 0,139 ©0^х +
+ 0,042 ©0Нб + 0,417 ухИб - 19,703 ©0 - 9,36 ух - 1,784 Нб + 149,02;
Нп(©0, ух, Нб) = 1,210 ©02 + 22,41 ух2 + 0,204 Нб2 - 0,056 ю0^х -
- 8,333•Ю-3 ©0Нб - 0,194 ухНб - 29,232 ©0 - 24,637 ух -
- 3,383 Нб + 200,25;
N(©0, ^х, Нб) = 0,137 ©02 + 14,69 ух2 + 0,207 Нб'2 - 0,014 ©0^х +
+ 0,018 ю0-Нб - 0,014 ухНБ - 1,903 ©0 - 12,19 ух - 5,179 Нб + 42,13.
Для проверки адекватности описания данными формулами исследуемых зависимостей использовали критерий Фишера [7]. С помощью полученных функций /щ(©0, ух, Нб), Нп(©0, ух, Нб), N(©0, ух, Нб) можно прогнозировать эффективность работы предлагаемого кустореза в зависимости от его параметров ©0, ух, Нб.
Для анализа полученных зависимостей изобразим их графически. Функции трех переменных графически можно представить своеобразными "срезами": то есть графиками функций двух переменных при условии, что третья переменная имеет постоянное (центральное) значение (рис. 2). На данном рисунке поверхности отклика изображены линиями уровня функций и затемнены оптимальные области факторного пространства. В качестве границ оптимальных областей выбраны следующие изолинии: /щ = 20 см, Нп = 10 см, N = 5 кВт.
Проанализируем, как влияют параметры ©0, ух и Нб на среднюю длину фрагментов порослевин /щ (рис. 2 а-в). Параметры ух и Нб примерно одинаково влияют на среднюю длину фрагментов: с увеличением данных параметров длина /щ увеличивается. Однако зависимость от этих параметров довольно слабая. Гораздо сильнее влияет параметр ©0: при увеличении частоты вращения цепного барабана размер щеп существенно уменьшает-
ся. Анализируя положение оптимальных (затененных) областей на рис. 2 а—в, можно рекомендовать следующие оптимальные диапазоны факторов: ю0 более 10 об/с; ух менее 0,9 м/с; ИБ менее 12 см.
НБ, см 12,5 -
10,0 -
кБ, см
10,0-
7,5-
5,0
X \ -
) \
15
^ У
1 і
0,95-
0,70-
0,45-
0,20 4
0,20 0,45 0,70 0,95 Ух, м/с 5,0 7,5 10,0 12,5 т0, об/с 5,0 7,5 10,0 12,5 т0, об/с
N(10, ух, Нб), кВт N(©0, 0,70, Нб), кВт N(©0, ух, 10), кВт
ж з и
Рис. 2. Оптимальные области на экспериментальных зависимостях, представленных в виде линий уровня Далее рассмотрим влияние параметров ©0, ух и Нб на среднюю высоту остатков порослевин Нп (рис. 2 г-е). На соответствующих поверхностях отклика наблюдаются четкие минимумы при определенных наборах факторов, а при уменьшении и увеличении факторов к границам их диапазо-
б
а
в
д
г
е
V, см
нов, показатель Нп ухудшается. Анализируя положение оптимальных областей на рис. 2 г-е, приходим к выводу, что оптимальные диапазоны факторов следующие: ©0 от 10 до 14 об/с; ух от 0,3 до 0,9 м/с; Нб от 6 до 12 см.
Анализ влияния параметров ©0, ух и Нб на среднюю потребляемую кусторезом мощность N (рис. 2 ж-и) показал, что с увеличением каждого из кинематических параметров ©0 и ух потребляемая кустрезом мощность увеличивается приблизительно по квадратичному закону. С увеличением же Нб потребляемая мощность уменьшается. Сопоставляя положение оптимальных областей на рис. 2 ж-и, можно сделать вывод, что оптимальные диапазоны факторов следующие: ©0 от 5 до 10 об/с; ух от 0,2 до 0,7 м/с; Нб от 9 до 13 см.
Таким образом, по результатам экспериментального исследования-можно рекомендовать следующие параметры кустореза новой конструкции. Частота вращения барабана кустореза должна составлять около 10 об/с. При меньшей частоте вращения барабана снижается качество удаления поросли, а при большей частоте вращения резко растет потребляемая кусторезом мощность. Скорость движения кустореза должна составлять 0,3 ... 0,7 м/с. При меньшей скорости движения кустореза ухудшается качество удаления поросли, при большей скорости - растет потребляемая кусторезом мощность. Оптимальный просвет между уровнем почвы и вращающимися цепями должен составлять 9 ... 12 см.
Список литературы
1. Бартенев И.М. Г идроманипуляторы и лесное технологическое оборудование / И.М. Бартенев, З.К. Емтыль, А.П. Татаренко, М.В. Драпалюк, П.И. Попиков, Л.Д. Бухтояров. - М.: ФЛИНТА: Наука, 2011. - 408 с.
2. Заявка № 2008142814/12 на патент "Кусторез". Драпалюк М.В., Полев В.С.. Опубл. БИПМ № 13 (1 ч.) 10.05.2010. С. 7.
3. Полев В.С., Драпалюк М.В. Моделирование рубящих элементов цепного кустореза // Лесной журнал, 2010. № 6. С. 94-98.
4. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента. М.: ГРФМЛ изд-ва Наука, 1971. 312 с.
5. Финни Д. Введение в теорию планирования экспериментов. М.: ГРФМЛ изд-
ва Наука, 1970. 287 с.
6. Горский В.Г., Адлер Ю.П., Талалай А.М. Планирование промышленных экспериментов (модели динамики): учеб. пособие. М. : Металлургия, 1978. 288 с.
7. Грановский, В. А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях: учеб. пособие. Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. 288 с.
