CC BY
8
Системный подход к выбору мощности мульчерной машины для подготовки лесных площадей и борьбы с лесными пожарами
Р.К. Калинин, М.В. Ивашнев Петрозаводский государственный университет
Аннотация: Для предотвращения и тушения лесных пожаров перспективно использование мульчерных машин. При подготовке лесных площадей мульчерными машинами происходит измельчение почвы совместно с произрастающей на поверхности лесокустарниковой растительностью, их корнями и древесными включениями, при этом сам процесс взаимодействия рабочего органа с грунтом требует значительных затрат энергии. Проведен анализ режимов работы мульчерной машины с рабочим органом в виде барабана-измельчителя и определены режимы работы мульчерной машины. Рассмотрен режим работы мульчерной машины при срезании древесной растительности. Разработана программа для ЭВМ для определения рациональных параметров и режимов работы мульчерной машины.
Ключевые слова: барабан-измельчитель, борьба с лесными пожарами, мульчерная машина, срезание древесной растительности.
Машины с активными рабочими органами для удаления древесной растительности все шире используются при культуртехнических работах, при обслуживании полос отвода железных дорог и прилегающих территорий линий электропередачи. Перспективность мульчерных машин на российском и зарубежном рынках рассмотрена в работе [1].
С одной стороны, растет потребность в технологиях и технике для расчистки вырубок и линейных объектов для лесовосстановления, восстановления и создания новых сельскохозяйственных угодий, подготовки новых и защиты действующих линейных объектов, в частности линий электропередачи, реконструкции полезащитных лесных полос [2], вовлечения в промышленное использование древесины пней и корней для биоэнергетики, целлюлозно-бумажного производства и др.
С другой стороны, в России резко обострилась проблема предотвращения и тушения лесных пожаров [3], возрастающие число и площадь лесных пожаров наносят экономические потери, ущерб здоровью населения, ведут к деградации экосистем и выбросам парниковых газов и
являются угрозой для экономического сектора страны [4]. Проблема лесных пожаров также остро стоит за рубежом [5].
В работе [6] рассмотрен системный подход для поиска и создания новых объектов интеллектуальной собственности. Эффективным средством для борьбы с лесными пожарами являются пожарные полосопрокладывающие и грунтометательные машины [7^9]. Однако, данные машины хорошо работают только на легких песчаных или супесчаных незадернелых почвах, без каменистых и прочих (пни, корни, порубочные остатки) включений. Как показано в работах Петрозаводского государственного университета [10, 11] для предотвращения и тушения лесных пожаров перспективно использование мульчерных машин.
При подготовке лесных площадей мульчерными машинами происходит измельчение почвы совместно с произрастающей на поверхности лесокустарниковой растительностью, их корнями и древесными включениями, при этом сам процесс взаимодействия рабочего органа с грунтом требует значительных затрат энергии. Снижение энергоемкости за счет совершенствования конструкций рабочих органов, выбора их оптимальных параметров и режимов работы способствует увеличению производительности выполнения технологической операции. Основные технические данные мульчерных машин зависят от их кинематических и конструктивных параметров, а именно от соотношения угловой скорости вращения рабочих органов и скорости поступательного движения, диаметра барабана, числа рабочих органов, скорости резания и других факторов.
В работе [12] рассмотрены современные подходы к разработке программного обеспечения для оптимизации машинно-технологических комплексов. В Петрозаводском государственном университете проведен анализ режимов работы мульчерной машины с рабочим органом в виде барабана-измельчителя и определены следующие режимы работы
мульчерной машины: срезание ствола древесной растительности; измельчение срезанного ствола древесной растительности; измельчение срезанного ствола древесной растительности совместно с грунтом.
Рассмотрим режим работы мульчерной машины при срезании древесной растительности. На рисунке 1 представлена геометрия стружки при срезании ствола древесной растительности мульчерной машиной с рабочим органом в виде барабана-измельчителя.
Рисунок 1 - Геометрия стружки при срезании ствола древесной растительности мульчерной машиной с рабочим органом в виде барабана-измельчителя
Из рисунка 1 средняя толщина стружки к на дуге контакта 1р определяется по формуле:
И- — М
1 +
1 -
2
V 2 Я у
(1)
где Я - радиус ротора, мм; В1 - толщина резания, мм; X - скоростной параметр ротора; I - количество резцов в одном сечении ротора, шт.
Длина дуги резания при резании древесной растительности определяется по формуле:
, 2лЯ . Я
I р =--агоБт—1- (2)
р 180 2Я' ( )
где Я - радиус ротора, мм; В1 - толщина резания, мм.
Средняя сила резания Рср на дуге контакта 1р одним резцом
применительно к режиму резания древесной растительности мульчерной машиной можно определить по следующей формуле:
Рр = Кък, (3)
где кдр - удельное сопротивление резанию при фрезеровании древесины, МПа; Ь - ширина резца, мм; к -толщина стружки, мм.
Тогда, среднюю окружную силу резания Рр одним резцом запишем в следующем виде:
( и V
2лЯкдрЪ 1 + 1--
IV V2Я) I в
Р =-1--■ агоБт—- (4)
р 3601 2Я, ( )
где Я - радиус ротора, мм; кр - удельное сопротивление резанию при
фрезеровании древесины, МПа; Ь - ширина резца, мм; В1 - толщина резания, мм; X - скоростной параметр ротора.
Мощность, необходимая для резания древесной растительности Ыр, определяется по следующей формуле:
Кр = РрУА, (5)
где Рр - окружная сила резания при срезании древесной растительности, Н; Уо - окружная скорость вращения ротора, м/с; 1Ь - количество рядов резцов, участвующих в резании, шт.
Количество рядов резцов, участвующих в резании, определяется по формуле:
ъ
Ъ
(6)
М Инженерный вестник Дона, №12 (2020) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2020/6733
где Ь - ширина резца, мм; ^- толщина срезаемого ствола, мм.
Средняя окружная сила резания Ро представляет собой фиктивное расчетное усилие, которое действует на окружности резания в течение одного оборота ротора и находится из условия равенства работ резания Арез на дугах 1р от нескольких резцов в одном сечении I и окружной силы резания Ро в течение одного оборота:
2—ЯР о = Арезг, (7)
где Ро - средняя окружная сила резания, Н; Я - радиус ротора, м; Арез - работа резания одним резцом, Дж; I - количество резцов на роторе в одном сечении, шт.
Подставляя значения в формулу (7) и преобразуя, получим мощность, необходимую для резания древесной растительности Ыр рабочим органом мульчерной машины:
(
2—Як рауо 1 + .
в
N =-^-у • штат —к (8)
р 360М 2Я, ( )
где Я - радиус ротора, мм; кдр - удельное сопротивление резанию при
фрезеровании древесины, МПа; йс - толщина срезаемого ствола, мм; Уо -окружная скорость вращения ротора, м/с; В1 - глубина резания, мм; X -скоростной параметр ротора.
Мощность, необходимая на отбрасывание древесных частиц Ио за один оборот ротора, определяется по формуле:
N = ^^, (9)
где тр - масса отбрасываемого материала, кг; Уо - окружная скорость вращения ротора, м/с; п - частота вращения ротора, с'1; кр - коэффициент отбрасывания срезанной древесины, принимается равным кр = 0,5.
М Инженерный вестник Дона, №12 (2020) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2020/6733
Масса отбрасываемой древесины тд определяется по следующей формуле:
тд =
_ (2жП)2 р()с1с
360Л
1 +
1 -
А
V 2 Я у
• В
штат - 1
2Я
(10)
где Я - радиус ротора, мм; рд - плотность древесины, кг/м ; - толщина срезаемого ствола, мм; В1 - глубина резания, мм; X - скоростной параметр ротора.
С учетом преобразований мощность, необходимая на отбрасывание древесных частиц Ыо за один оборот ротора, определяется по следующей формуле:
N =
_ (2яЯ)2рдйу>к 720Л
1 +
1
1 -
_В|_
V 2Я у
• В
штат- 1
2Я
(11)
где Я - радиус ротора, мм; рд - плотность древесины, кг/м ; - толщина срезаемого ствола, мм; В1 - глубина резания, мм; X - скоростной параметр ротора; Уо - окружная скорость вращения ротора, м/с; п - частота вращения ротора, с'1; к ^ - коэффициент отбрасывания срезанной древесины,
принимается равным к% = 0,5.
Глубину резания В1 в общем случае из рисунка 1 можно определить по следующей формуле:
В = у1 к(2Я - к). (12)
Суммируя и преобразуя значения мощности, необходимой для резания древесной растительности Ир рабочим органом мульчерной машины и мощности, необходимой на отбрасывание древесных частиц Ио за один оборот ротора, получим мощность, необходимую на срезание древесной растительности N рабочим органом в виде барабана-измельчителя:
М Инженерный вестник Дона, №12 (2020) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2020/6733
N =
2ли
360
Т721 д
106 • кд + РддУо±о р 2
1 +
V
. Л(2Я - к)
1--1—-—- агевт --
я2 я
(13)
где и- скорость движения мульчерной машины, м/с; Я - радиус ротора, м; йс - толщина срезаемого ствола, м; кдр - удельное сопротивление резанию при фрезеровании древесины, МПа; рд - плотность древесины, кг/м ; Уо -окружная скорость вращения ротора, м/с; кр - коэффициент отбрасывания
срезанной древесины, принимается равным кр = 0,5; к - толщина стружки,
м.
Выражение (13) представляет собой математическую модель процесса работы мульчерной машины с рабочим органом в виде барабана-измельчителя при срезании древесной растительности. На основе математической модели (13) разработана программа для ЭВМ «Расчет затрат мощности при срезании древесной растительности рабочим органом в виде барабана-измельчителя». Общий вид диалогового окна разработанной программы представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Диалоговое окно разработанной программы для ЭВМ «Расчет затрат мощности при срезании древесной растительности рабочим органом в виде барабана-измельчителя»
На рисунке 3 а представлена зависимость изменения мощности на срезание древесной растительности от радиуса ротора при следующих неизменных параметрах (и=0,27 м/с; йс=0,2 м; ¥0=25 м/с), на рисунке 3б представлена зависимость изменения мощности при срезании древесной растительности от толщины стружки при следующих неизменных параметрах (и=0,27м/с; Я=0,3 м; ё.с=0,2 м; У0=25 м/с).
а) б)
Рисунок 3 - Зависимость мощности при срезании древесной растительности, кВт: а) от радиуса ротора, м; б) от толщины стружки, мм В Роспатент подана заявка на государственную регистрацию программы для ЭВМ. На основе разработанной программы рассмотрено влияние конструктивных и кинематических параметров рабочего органа в виде барабана-измельчителя на мощность, затрачиваемую на срезание древесной растительности.
Таким образом, анализ математической модели процесса работы мульчерной машины (13) с помощью разработанной программы для ЭВМ позволяет определить рациональные конструктивные и кинематические параметры рабочего органа в виде барабана-измельчителя при срезании древесной растительности. Стоит отметить, что применение мульчерной техники в лесном хозяйстве позволяет подготовить поверхность для
лесовосстановления, создать противопожарные полосы, улучшить температурный режим почв на вырубках и на гарях после лесного пожара.
Литература
1. Драпалюк М.В., Платонов А.А. Современные машины и оборудование для лесного хозяйства на комбинированном ходу // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - №3. - С. 12.
2. Бартенев И.М., Поздняков Е.В. Эффективные способы и технические средства удаления пней // Тракторы и сельхозмашины. - 2013. - №9. - С. 1316.
3. Шегельман И.Р., Ивашнев М.В., Васильев А.С. Современные подходы к решению проблем предотвращения, обнаружения и тушения лесных пожаров // Материалы V Международной научно-практической конференции «Научное и образовательное пространство: перспективы развития». -Чебоксары: Интерактив плюс, 2017. - С. 125-128.
4. Константинов А. В., Морковина В. В. Лесные пожары как наиболее значимая угроза экономической безопасности лесного сектора // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - Воронеж: ВГЛТУ, 2016. - Т. 4. - № 2 (22). - С. 319-325.
5. Wildfires set to increase: could we be sitting on a tinderbox in Europe?. Date Views 12.12.2020. URL: sciencedaily.com/releases/2018/03/180307100722.htm.
6. Shegelman, I.R., Shtykov A.S., Vasilev A.S., Galaktionov O.N., Kuznetsov A.V., Sukhanov Y.V., 2019. Systematic patent-information search as a basis for synthesis of new objects of intellectual property: methodology and findings. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering, 8: pp. 369-403.
7. Фокин С.В., Мотова Ю.В., Сариев С.К. О перспективных конструкциях грунтометов с комбинированными рабочими органами // Аграрный научный журнал. - 2019. - №8. - С. 89-94.
8. Бухтояров Л.Д., Гнусов М.А., Шавков М.В., Лепилин Д.В., Есков Д.В., Подъяблонский А.В. Оптимизация параметров комбинированной машины для тушения лесных пожаров на основе теоретических и экспериментальных исследований // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 2012, №84. URL: ej.kubagro.ru/2012/10/25.
9. Драпалюк М.В., Бартенев И.М., Гнусов М.А., Дручинин Д.Ю., Марков О.Б., Клубничкин Е.Е. Математическая модель процесса подачи и выброса грунта рабочими органами комбинированной машины для тушения лесных пожаров // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 2012, №84. URL: ej.kubagro.ru/2012/10/23.
10. Шегельман И. Р., Васильев А.С. Техника для удаления древесно-кустарниковой растительности при непрерывном движении базовых лесных тракторов в системах машин для предотвращения и тушения лесных пожаров // Инженерный вестник Дона, 2019, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2019/5890.
11. Shegelman, I.R., A.S. Shtykov, A.S. Vasilev and M.V. Ivashnev, 2019. The synthesis of solutions for the prevention and suppression of forest fires. Opcion, 35: 218-231.
12. Лазарева Н. Б. Оптимальный подход к разработке программного обеспечения с использованием современных методологий и технических средств // Инженерный вестник Дона, 2020, №10. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n10y2020/6625.
References
1. Drapalyuk M.V., Platonov A.A. Sovremenny'e problemy' nauki i obrazovaniya. 2013. №3. p. 12.
2. Bartenev I.M., Pozdnyakov E.V. Traktory' i sel'xozmashiny'. 2013. №9. pp. 13-16.
3. Shegel'man I.R., Ivashnev M.V., Vasil'ev A.S. Materialy' V Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Nauchnoe i obrazovatel'noe prostranstvo: perspektivy' razvitiya». Cheboksary': Interaktiv plyus, 2017. pp. 125-128.
4. Konstantinov A. V., Morkovina V. V. Aktual'ny'e napravleniya nauchnyx issledovanij XXI veka: teoriya i praktika. Voronezh: VGLTU, 2016. T. 4. № 2 (22). pp. 319-325.
5. Wildfires set to increase: could we be sitting on a tinderbox in Europe?. Date Views 12.12.2020. URL:sciencedaily.com/releases/2018/03/180307100722.htm.
6. Shegelman, I.R., Shtykov A.S., Vasilev A.S., Galaktionov O.N., Kuznetsov A.V., Sukhanov Y.V. 2019. Systematic patent-information search as a basis for synthesis of new objects of intellectual property: methodology and findings. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering, 8: pp.369-403.
7. Fokin S.V., Motova Yu.V., Sariev S.K. Agrarny'j nauchnyj zhurnal. 2019. №8. pp. 89-94.
8. Buxtoyarov L.D., Gnusov M.A., Shavkov M.V., Lepilin D.V., Eskov D.V., Pod'yablonskij A.V. Politematicheskij setevoj e'lektronny'j nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2012, №84. URL: ej.kubagro.ru/2012/10/25.
9. Drapalyuk M.V., Bartenev I.M., Gnusov M.A., Druchinin D.Yu., Markov O.B., Klubnichkin E.E. Politematicheskij setevoj elektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2012, №84. URL: ej.kubagro.ru/2012/10/23.
10. Shegel'man I. R., Vasil'ev A.S. Inzhenernyj vestnik Dona, 2019, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2019/5890.
M Инженерный вестник Дона, №12 (2020) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2020/6733
11. Shegelman, I.R., A.S. Shtykov, A.S. Vasilev and M.V. Ivashnev, 2019. The synthesis of solutions for the prevention and suppression of forest fires. Opcion, 35: 218-231.
12. Lazareva N. B. Inzhenernyj vestnik Dona, 2020, №10. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n10y2020/6625.
