CC BY
47
УДК 631.316:630*231.331
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ УХОДОВ ЗА ЗЕЛЕНЫМИ НАСАЖДЕНИЯМИ В ПРИДОРОЖНЫХ ЗОНАХ ГОРОДОВ
И НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ
проректор по науке и инновациям, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механизации лесного хозяйства и проектирования машин М. В. Драпалюк1 кандидат сельскохозяйственных наук, старший преподаватель кафедры ландшафтной архитектуры и почвоведения В. П. Попиков1 студент К. А. Меняйлов1 студент С. К. Попиков2 1 - ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» 2 - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»
Повышение эффективности механизированных уходов за зелеными насаждениями в придорожных зонах городов и населенных пунктов предусматривает разработку новых, более совершенных способов механизации технологических операций [1]. Одним из путей решения стоящих задач является переход от непрерывного способа выполнения технологических операций к дискретному способу за счет более широкого применения маневренных быстро перестраиваемых машин манипулятор-ного типа со сменным технологическим оборудованием [2]. Для обрезки крон деревьев и кустарников в качестве сменного оборудования могут быть использованы срезающие устройства, захваты для погрузки обрезанных ветвей, вершин и тонкомера в транспортное средство или подачи в рубительную машину для измельчения, рабочие органы для обработки почвы под кронами деревьев, в приствольных кругах, и других видов работ [2].
Одним из основных мероприятий по уходу за надземной частью деревьев в го-
родских условиях является обрезка крон в соответствии с особенностями биологии, роста и развития насаждений. Предлагается новый рабочий орган в виде дисковой пилы с гидроприводом, смонтированный на манипуляторе посредством шарнирного соединения маятникового рычага с удлинителем рукояти, поворот которого осуществляется поворотным гидродвигателем (ротатором) на угол более 180°, что расширяет зону действия манипулятора и его технологические возможности (рис. 1) [8, 9]. На маятниковом рычаге предусмотрена установка V-образного кронштейна для устранения зажима пилы и удаления срезанных ветвей из кроны дерева. Кроме того, для повышения качества обрезки предложена односторонняя заточка длинной и короткой боковых режущих кромок зубьев дисковой конической пилы и односторонний развод зубьев в сторону отделяемой части ветви (рис. 2).
'3 12 11 10 Э 6 7 6 5
Рис. 1. Схема машины для обрезки крон деревьев: 1 - базовая машина; 2 - поворотная колонна; 3 - гидроцилиндр стрелы; 4 - стрела;
5 - гидроцилиндр рукояти; 6 - рукоять; 7 - гидроцилиндр удлинителя; 8 - удлинитель рукояти с винтовой парой; 9 - гидродвигатель (ротатор); 10 - маятниковый рычаг;
11 - гидромотор пилы; 12 - дисковая пила; 13 - V-образный упор
При обрезке ветвей деревьев резание производится длинной боковой режущей кромкой, которая имеет форму ножевого секатора, поэтому происходит как бы силовое резание, а на ветви остается участок с гладким срезом, так как задний угол близок к нулю, при этом деформируется только отделяемая часть ветвей. При ежегодной подрезке однолетних побегов деревьев и кустарников используется эта же пила, но с обратным направлением вращения (по часовой стрелке). Резание в этом случае производится короткой боковой режущей кромкой, которая не дает отклоняться побегам в процессе срезания в сторону.
Рис. 2. Основные геометрические параметры зубьев дисковой пилы с односторонней заточкой длинной и короткой режущих кромок
При моделировании взаимодействия пилы с ветвью согласно методу конечных элементов участок ветви представляется в виде совокупности большого количества
элементарных кубов малого размера d. Ветвь в модели первоначально представляет собой геометрическую область, имеющую форму цилиндра радиусом и высотой Lв.
Составлены и проанализированы
dp dt
da dt
г-
Ян ■ ан - Чма - ayP - Чг ■ V
дифференциальные уравнения, описывающие расход рабочей жидкости гидропривода и рабочий процесс резания дисковой пилой при повороте маятникового рычага поворотным гидродвигателем:
(1)
1 IПпЧтР 2 жцс
J,
- kt
dN
_l
dt
k h +
п под
где р - давление рабочей жидкости в гидросистеме, Па; t - время, с;
Кр - коэффициент податливости упругих элементов гидропривода, м5/Н; qн - рабочий объём насоса, м3/об.; qм - рабочий объём гидромотора, м3/об.;
ан - угловая скорость вращения насоса, с-1;
а - угловая скорость вращения вала гидромотора, с-1;
ау - коэффициент утечек, м5/(Нс); qг - рабочий объём ротатора, м3/об.; фп - угол поворота маятника, рад; Jпр - приведенный момент инерции вращающихся масс к валу гидромотора, включающий момент инерции роторной группы гидромотора и момент инерции рабочего органа, кг-м2; Щп - полный объёмный КПД гидромотора;
щ0 - объёмный КПД гидромотора; kм - коэффициент, определяющий силу сопротивления при удалении элементарного куба, с; Np - количество удаленных элементарных кубов ветви;
V
= 0,12 подача на режущий
под 2па
зуб, м;
vпод - скорость подачи, м/с; К - удельная сила резания, Н/м2;
И tg д
+1
c h2
рез под
Rpsign (aa- kaa
И - коэффициент трения древесины о
зуб;
д - угол резания передней режущей кромки;
срез - коэффициент пропорциональности, постоянный для данной обрабатываемой древесины; Rp - радиус резания; ka - коэффициент вязкого сопротивления резанию.
Система дифференциальных уравнений (1) решена методом численного интегрирования - модифицированным методом Эйлера-Коши. Для решения системы дифференциальных уравнений, положенной в основу модели, и для проведения различных компьютерных экспериментов с моделью составлена компьютерная программа на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7.0.
При погрузке обрезанных ветвей, вершин и тонкомера в транспортное средство или подачи в рубительную машину для их измельчения возникают динамические нагрузки в механизме подъема стрелы манипулятора. Одним из путей повышения технико-экономического уровня машин манипуляторного типа является оптимизация параметров гидропривода их грузо-
n
подъемных механизмов. Известные методы оптимизации компоновки гидроцилиндров манипулятора не учитывают динамических нагрузок и податливости упругих элементов гидропривода. Нами проведены исследования по обоснованию параметров гидропривода лесных манипуляторов при динамических режимах нагружения с учетом податливости упругих элементов.
Дифференциальные уравнения расходов рабочей жидкости движения элементов манипулятора для начала подъема стрелы имеют вид
ак
ЧНПН = ЬКт + ауР + kP
dp dt ''
У
d 2ф
(2)
пр dt2
= РЬ1 sin (- mgL cos (ф-фН),
где Ь - рабочая площадь поршня гидроцилиндра,
Упр - момент инерции манипулятора, в - угол между осью гидроцилиндра и стрелой,
L - вылет манипулятора, Vшт - скорость штока, Ф - угол поворота стрелы, фн - начальный угол поворота стрелы. Система уравнений (2) может быть представлена в виде разностных уравнений
р = ^ + кчнПн Ь1 - Фг-1)
К
К
К
(3)
= (1- ауЩ-0рг-х + кчнпн ■р-1 - Ы Х(фг - фг-1) ■р-1 к2 F I к2 mgL
Фг +1 = 2Фг - Фг-1 + ■Рг-1 sin (--3-С°^г-1 - Фн ) =
У Пр
где к - интервал времени, с;
X - угловой параметр механизма подъёма;
У Пр
I - расстояние точки крепления гидроцилиндра от оси поворота стрелы, м.
Рис. 3. Графики переходных процессов подъёма стрелы манипулятора
Для решения этих уравнений составлена программа на ЭВМ и построены гра-
фики переходных процессов для К(Р) = 10
-5
м5/Н и для К(Р) = 210-5 м5/Н (рис. 3).
Проведенные исследования показали, что при учёте динамических нагрузок расстояние точки присоединения гидроцилиндра к стреле от оси её вращения /=0,894 м, а в статическом режиме /=1,197 м. При изменении податливости упругих элементов гидропривода снижается максимальное давление рабочей жидкости при переходных режимах на 2,0 МПа.
В городских условиях почвы засорены твердыми включениями, поэтому для обработки почвы при уходах за зелеными
насаждениями наиболее эффективны дисковые рабочие органы. Проведены исследования влияния гидропривода дисковых рабочих органов на качественные показатели. Относительное движение частицы почвы по поверхности сферического диска, вращающегося от гидромотора, описывается дифференциальным уравнением 2 -го порядка
у/+ у2 + ът(<р-у) + а2 о,о$>(<р- у) + 2^ соб(<- у)■ у = 0,
(4)
где /- коэффициент трения почвы о поверхность почвы; с - угловая скорость диска; <, у - угловые параметры траектории движения частицы почвы.
Получено решение данного уравнения в виде зависимостей изменения угла у от времени для различных угловых скоростей вращения диска
1 ,
у = -с собф-^ +—1п
з(с
собСС/ Бт ф + / соб ф- / соб ф- п+
+ А Бт
т (<С/2 Бт ф + / соб ф- /2 соб2 ф ■ I)
(5)
+ В,
где В = у(о), А =
/(у(о) + с соб ф)
С12 ^п2 ф + / соб ф - /2 соб2 ф
В результате теоретических исследований взаимодействия сферического диска с почвой установлено, что почвенные частицы под действием принудительного вращения диска от гидромотора поднимаются вверх по более крутой траектории по сравнению с обычным вращающимся дис-
ком от сил трения о почву, что способствует лучшему обороту пласта.
Для обработки задернелых почв под кронами деревьев применяются фрезерные рабочие органы. На рис. 4 представлен вариант установки фрезы с гидроприводом на телескопическом манипуляторе.
Рис. 4. Вариант установки фрезерных рабочих органов на манипуляторы: 1 - базовая машина, 2 - манипулятор, 3 - рабочий орган
При моделировании динамических процессов вращательного гидропривода лесной почвообрабатывающей фрезы по-
лучена система дифференциальных уравнений
dp dt
dю dt
—(б
( р)
Л
пр
9нПн - - ауР
УпЧиР - Уп^ЩпУ0 собШ 2пПо
К +
УК
где Лпр - приведённый момент инерции вращающихся масс к валу гидромотора;
г]п, г]о - полный и объёмный КПД гидромотора;
у - объёмная сила тяжести почвы; 2, zс - количество ножей, одновременно работающих и в одной секции; У0 - поступательная скорость агрегата;
К - коэффициент сопротивления фрезерованию почвы; К] - коэффициент отбрасывания почвы;
&
V2 - 2К
юЕб 2i
БШ Ш +
412
(6)
/ - передаточное число редуктора; Вб - диаметр фрезерного барабана. При решении дифференциальных уравнений на ЭВМ получены графики изменения угловой скорости в зависимости от времени для различных коэффициентов податливости гидросистемы К(р [12].
При навешивании на манипулятор дисковых и фрезерных рабочих органов их рабочие процессы при обработке почвы в приствольных кругах и междурядьях совершаются за счет поворота стрелы, рукоятки или поворота манипулятора в горизонтальной плоскости.
1
Основное уравнение вращательного дви-
жения для колонны имеет вид
Г 4 V д ,
- Мп - М.
ТР
+ МУ + МВ.
М
(7)
где • - момент инерции колонны;
МГц - момент, сообщаемый поворотной колонне гидроцилиндром; Мс - момент сил сопротивления обработке почвы;
МТР - момент сил трения в подшипниках колонны;
^к - приведенный коэффициент вяз-
кого трения в гидроцилиндрах поворота;
МУ - момент сил от уклона местности.
Окончательное уравнение вращательного движения колонны можно записать следующим образом:
М V
1
3 тс+ 2 тОК^ОК
К Р - Рп) ^
с1ф
\
4
-МС - МТР - ктк—+ МУ + МВ М
(8)
/
Проведение механизированных уходов за зелеными придорожными насаждениями повышают густоту кроны за счет увеличения площади листьев. Нами дана оценка влияния обрезки крон деревьев на их звукопоглощающую способность [10, 13]. При прохождении звуковой волны через
М 2 х
Мх
листву деревьев часть ее энергии поглощается, т.е. преобразуется в механическую энергию колеблющихся листьев. Под действием звуковых волн лист будет совершать вынужденные колебания, которые можно описать дифференциальным уравнением второго порядка Fr
аг
_ + 2 ё-+ а
2 аг
х = —— cos аг = А cos аг , а 0
0
(9)
где ё - коэффициент затухания, 5 =
2т„
т0 - масса одного листа, кг; г - коэффициент сопротивления движению листа, теоретически может быть определен по формуле Стокса. Разработанная математическая модель процесса звукопоглощения листьями деревьев позволяет прогнозировать степень ослабления автотранспортного шума от геометрических и биофизических параметров крон лиственных деревьев, используемых для зеленых насаждений в селитебной зоне городов и поселков.
Таким образом, для повышения эффективности механизированных уходов за зелеными насаждениями в городских условиях целесообразно применять маневренные быстро перестраиваемые машины со сменными рабочими органами для обрезки крон деревьев, для обработки почвы в приствольных кругах, полосах и междурядьях. Разработаны математические модели рабочих органов процессов машин манипуляторного типа со сменным технологическим оборудованием с целью оптимизации параметров рабочих органов и элементов гидропривода. Мероприятия по
г
уходу за зелеными насаждениями улучшают углеводный, азотный и водный режимы, повышают густоту кроны деревьев, что увеличивает их звукопоглощающую способность и снижает автотранспортный шум в селитебной зоне населенных пунктов.
Библиографический список
1. Винокуров В.Н. Машины и механизмы лесного хозяйства и садово-паркового строительства: учебник для вузов / В.Н. Винокуров, Г.В. Силаев, А.А. Золотаревский; под редакцией В.Н. Винокурова. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 400 с.
2. Гидроманипуляторы и лесное технологическое оборудование / Бартенев И.М., Драпалюк М.В. Попиков П.И., [и др.]. М.: Флинта. Наука, 2011. 408 с.
3. Репринцев Д.Д., Драпалюк М.В., Попиков В.П. Механизация обрезки крон деревьев и кустарников // Лесн. хоз-во, 2006. № 1. С. 45.
4. Попиков В.П., Коротких ВН., Драпалюк М.В. Имитационное моделирование технологического процесса лесной машины с гидроприводом дискового рабочего органа // Вестн. КрасГАУ, 2009. № 5. С. 129-132.
5. Попиков В.П., Бухтояров Л.Д. Моделирование процесса обрезки ветвей деревьев дисковой пилой на лесосеменных плантациях // Вестн. КрасГАУ, 2009. № 8. С. 3-7.
6. Попиков П.И., Драпалюк М.В., Попиков В.П. Математическая модель управления процессом обрезки крон де-
ревьев машиной манипуляторного типа с дисковой пилой // Электронный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. Краснодар: КубГАУ, 2011. № 74 (10). Шифр ин-формрегистра: 042110001\0412. Режим доступа: КИр ://е1. киЬацго .ги/2011/10/17/
7. Свид-во 30057 РФ, МПК7 А 01 G 3/04. Рабочий орган машины для подрезки крон деревьев / В.П. Попиков, Д.Д. Репринцев, П.И. Попиков ; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2002129704/20 ; заявл. 05.11.02 ; опубл. 20.06.03, Бюл. № 17. 2 с.
8. Пат. 33684 РФ, МПК7 А0Ш 23/083. Ротор кустореза / И.М. Бартенев, В.П. Попиков, Л.Д. Бухтояров, [и др.]; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2003105046/20 ; заявл. 25.02.03 ; опубл. 10.11.03, Бюл. № 31. 2 с.
9. Пат. 2374824 РФ, МПК7 А0Ш3/00. Рабочий орган машин для подрезки крон деревьев / В.П. Попиков, М.В. Драпалюк, Л.Д. Бухтояров; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. - № 2008106730/12; заявл. 21.02.2008; опубл. 10.12.2009.
10. Попиков В.П. О снижении транспортного шума в селитебной зоне // Лес и молодежь ВГЛТА - 2000 : материалы юбилейной научной конференции молодых ученых, посвященной 70 лет образования ВГЛТА. Воронеж, 2000. С. 205-207.
11. Определение траектории движения почвенного пласта по сферическому диску с приводом от гидромотора / П.И. Попиков, П.Н. Зюкин, М.С. Хрипченко и др. // Вестник Центрально-Черноземного регионального отделения наук о лесе РАЕН ВГЛТА. Воронеж, 2000. Вып. 3.
12. Крутских А.В., Юдин Р.В., Попи-
ков В.П. Оптимизация положений гидроцилиндров с учетом инерционных нагрузок и податливости гидропривода // Вестник Центрально-Черноземного регионального отделения наук о лесе РАЕН ВГЛТА. Воронеж, 2002. Вып. 4, ч. 2. 136 с.
13. Математическое моделирование
процесса поглощения звуковой волны зелеными насаждениями / Н. Н. Панюшкин, П. И. Попиков, А. Н. Панюшкин и др. // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2006. Спецвыпуск. Математическое моделирование и компьютерные технологии. С. 79-81.
УДК 631.317
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ ПРИВОДОВ ЛЕСНЫХ ФРЕЗЕРНЫХ МАШИН ЗА СЧЕТ УПРУГОДЕМПФИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры механизации лесного хозяйства и
проектирования машин П. И. Попиков кандидат технических наук, ассистент кафедры деталей машин и инженерной графики
И. Н. Журавлев
кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры механизации лесного хозяйства
и проектирования машин С. В. Пономарёв [email protected], [email protected], [email protected]
Одним из направлений интенсификации рабочих процессов лесохозяйственных машин является передача энергии от двигателя трактора непосредственно к рабочим органам, минуя движитель, посредством систем привода. Это позволяет снизить тяговое сопротивление машинно-тракторных агрегатов и повреждение плодородного слоя почвы движителями трактора, что имеет важное экологическое значение. В лесном хозяйстве нашли широкое применение машины с активными рабочими органами с приводом от вала отбора мощности трактора. В настоящее время фрезерные машины в лесном хозяйстве применяются для расчистки площадей на вырубках путем фрезерования надземной части пней для увеличения проходимости машинно-транспортных агрегатов, удале-
ния поросли второстепенных пород фрезерными кусторезами для осветления лесных культур, основной и дополнительной обработки почвы на вырубках лесными почвообрабатывающими фрезами и культиваторами, прокладки противопожарных полос фрезерными полосопрокладывате-лями и грунтометами и др. Передача энергии к фрезерным рабочим органам от двигателя трактора, минуя движитель, осуществляется с помощью систем привода. Это позволяет снизить тяговое сопротивление машинно-тракторных агрегатов и уменьшить повреждение плодородного слоя почвы движителями трактора. На лесных фрезерных машинах в настоящее время применяются механический, гидрообъемный и комбинированные приводы, включающие элементы механического и гидро-
