CC BY
87
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], сот307@vandex.ш, [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 машиннотракторных 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-
объемного приводов, что превращает его в систему приводов различного вида. Элементы механического и гидравлического привода подвергаются высоким динамическим нагрузкам, так как фрезерные рабочие органы постоянно встречаются с препятствиями в виде пней, корней, порубочных остатков. Задача совершенствования систем приводов фрезерных машин заключается в снижении динамических нагрузок за счет применения упругодемпфирующих элементов, обоснованным выбором их оптимальных параметров. Таким образом, разработка методологии расчета и проектирования систем приводов лесных фре-
зерных машин с упругодемпфирующими устройствами является актуальным вопросом.
На фрезерных машинах для понижения пней на вырубках МУП-4, МДП-1,5 и др. в настоящее время применяется механический привод. На рис. 1 представлена кинематическая схема машины МУП-4 на базе трактора ЛХТ-55. Механический привод состоит из редукторов, карданных валов, фрикционной предохранительной муфты. Однако при эксплуатации механический привод оказался ненадежным из-за динамических нагрузок и высокой вибрации процесса фрезерования [5, 6].
Рис. 1. Кинематическая схема машины МУП-4
В ВГЛТА создан экспериментальный гидропривод рабочих органов (рис. 2) (а.с.
образец фрезерной машины для пониже- №78032) [2].
ния пней, в которой в качестве упруго-демпфирующего устройства использован
Рис. 2. Экспериментальный образец машины для понижения пней с гидроприводом рабочего
органа
Разработана математическая модель процесса фрезерования с учетом параметров рабочих органов и гидропривода. Система дифференциальных уравнений 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.
В этой математической модели упру-годемпфирующие свойства гидропривода не исследованы, т.к. коэффициент податливости упругих элементов представлен как постоянная величина, однако этот коэффициент является нелинейной функцией давления рабочей жидкости.
Для основной обработки почвы на вырубках применяются лесные почвообрабатывающие фрезы ФЛУ-0,8, ФЛШ-1,2, МЛФ-0,8 и др. Механический привод со-
стоит из коническо-цилиндрических редукторов, карданных и промежуточных валов. Рабочие органы защищены фрикционными муфтами для каждой секции фрезерных барабанов. При эксплуатации наблюдались поломки ножей и элементов механического привода.
Для подготовки почвы на вырубках нами разработаны новые конструкции лесных фрез с гидроприводом (а.с. № 622427, №978745) (рис. 3).
При моделировании динамических процессов вращательного гидропривода лесной почвообрабатывающей фрезы получена система дифференциальных уравнений. В результате решения математической модели получены графики переходных процессов. Для изучения динамических процессов в элементах привода лесной фрезы применялись тензометрические приборы и передвижная лаборатория СТИЛ, установленная на базе автомобиля ГАЗ-66. В процессе испытаний на осцил-лографическую бумагу записывались кру-
тящие моменты на валах гидронасоса и гидромотора, их угловые скорости и давления рабочей жидкости в магистралях гидропривода. Расстановка тензометриче-ских датчиков при гидравлическом приво-
де лесной фрезы показана на рис. 4. При исследовании механического привода использовались эти же датчики, установленные в аналогичных местах кинематической цепи.
Рис. 3. Лесная фреза с гидроприводом (а.с. № 978745):
1 - рама; 2, 3 - прицепное и навесное устр-ва; 4 - фрезерный барабан; 5 - гидромотор;
6, 21 - гидроцилиндры; 7, 8, 10, 11 ,13 ,15 ,17 ,20 ,23 - гидролинии; 9 - гидрораспределитель; 12 - напорная магистраль; 14, 19 - предохранительный и обратный клапаны;
16 - гидроаккумулятор; 18 - дроссель; 22 - рычаг
"ЕЧЯ7
-ЛИГ'-/ 3 <
8~^3~9-
Рис. 4. Схема расстановки тензометрических датчиков при гидрообъемном приводе лесной
фрезы:
1 и 9 - тахогенераторы ТЭ-45; 2 - ртутный проходной токосъемник; 3 и 10 - индукционные отметчики оборотов; 4 - регулируемый гидронасос НД20; 5 и 6 - тензодатчики давления масла ТДД-200 и ТДД-50; 7 - гидромотор НМ20; 8 - ртутный концевой токосъемник РАТ-2
Одновременно с исследованиями динамических процессов в элементах приводов фрезы определялись качественные по-
казатели фрезерования почвы согласно общепринятой методике.
При наездах фрезерного барабана на
препятствия защита рабочих органов лесной фрезы с гидроприводом может осуществляться двумя способами: индивидуальными фрикционами, которыми укомплектована каждая секция фрезерного барабана, и предохранительным клапаном гидромотора, полностью отключающим фрезерный барабан.
Проведенные исследования влияния гидропривода на работу дисковых фрикционов показали, что величина максимального крутящего момента при пробуксовывании заторможенной секции Мфр.тах уменьшается, кроме того, скорость нарастания нагрузки Му при срабатывании фрикционов при гидроприводе имеет значение 2,88-6,40 кНм/с, при механическом приводе Му=6,10-2,850 кНм/с.
Уменьшение угловой скорости фрезерного барабана перед началом срабатывания фрикционов влияет также на угол буксования заторможенных секций. Нами получена теоретическая зависимость для определения угла буксования в заторможенной секции при использовании гидропривода на лесных фрезах.
Экспериментальные исследования, выполненные с помощью киносъемки, подтверждают теоретические предпосылки. Уменьшение угла буксования заторможенных секций лесной фрезы с гидроприводом при Л.=8,5-11,6 и высоте препятствия h=4 см происходит на 13,7-22 % по сравнению с механическим приводом, что снижает бесполезные затраты мощности двигателя трактора на трение и износ фрикционов.
Экспериментальными исследованиями предохранительных устройств лесной
фрезы на нераскорчеванной вырубке установлено, что при значениях коэффициента Хп.н=1,5-1,7 и предельном давлении
Ртах= 15-16 МПа, срабатывание предохранительного клапана наблюдается только при наезде на препятствия в виде пней, крупных корневых лап, когда крутящий момент достигает значения, при котором срабатывают одновременно три - четыре фрикциона. При встречах с мелкими препятствиями срабатывают индивидуальные фрикционы, уменьшая тем самым частоту срабатываний предохранительного клапана. Таким образом, на лесных фрезах с гидроприводом целесообразно применять комбинированную защиту рабочих органов с помощью гидравлических и фрикционных предохранителей.
Необходимо продолжить исследование гидромеханических предохранителей с применением гидроаккумуляторов.
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. Дисковые плуги и бороны хорошо измельчают поросль и заделывают ее на определенную глубину, но очень энергоемки и требуют двукратного прохода в перекрестных направлениях.
Для обработки почвы в междурядьях лесных культур на вырубках с одновременным уничтожением поросли и корней, применяются фрезерные культиваторы, которые обеспечивают хорошее качество рыхления почвы, измельчение и заделку травянистой растительности. Однако они обладают недостаточной надежностью при
встречах с препятствиями из-за поломок ножей, карданных валов и других элементов механического привода, а также отличаются большой энергоемкостью рабочего процесса.
В ВГЛТА создана фрезерная машина для дополнительной обработки почвы на
вырубках с пониженными пнями, защищенная двумя патентами на полезную модель. Передача энергии от трактора производится за счет механического привода с двухпоточным предохранителем (рис. 5).
V %
Рис. 5. Конструктивно-технологическая схема лесной фрезерной машины с двухпоточным предохранительным устройством с центральным приводом (рис. 5, а) и двухпоточный
предохранитель (рис. 5, б):
1 - барабан; 2, 3 - валы; 4 - ножи; 5 и 6 - полумуфты; 7 - фрикционные диски;
8 - центральный диск с зубчатым венцом; 9 - нажимные диски; 10 - штифт; 11 - пружина; 12 - болт; 13 - защитный кожух; 14 - резиновые втулки
При перегрузке одновременно двух рабочих органов (мгновенное стопорение масс 2 и 3) система становится одномассовой с двумя заделками (рис. 6).
При моделировании взаимодействия с почвой момент сопротивления имеет как постоянную составляющую, так и периодически изменяющуюся составляющую, обусловленную поочередным вхождением в почву ножей фрезерных барабанов. За счет применения двухпоточного предохранителя удалось снизить динамические нагрузки в 1,22 раза и повысить качество обработки почвы за счет уменьшения пробуксовки фрезерных барабанов [8].
Необходимо провести оптимизацию параметров привода с учетом различных параметров упругодемпфирующих элемен-
тов на рабочие процессы фрезерных культиваторов.
В условиях вырубок тракторные кусторезы с активными рабочими органами в виде цилиндрических фрез, дисковых и цепных пил также не полностью отвечают необходимым требованиям по уходу за лесными культурами, так как срезают поросль на высоте 0,4-0,5 м, вследствие чего происходит ее достаточно быстрое возобновление, а их механический привод недостаточно надежен.
Поэтому возникает необходимость создания комбинированных орудий для срезания поросли на уровне корневой системы и одновременной дополнительной обработки почвы за один проход агрегата. Наиболее перспективными для этих целей
являются инерционно-рубящие рабочие органы с гидроприводом, закрепленные на
горизонтальном приводном валу с помощью гибких связей [6].
м,
Си
Ли
и.
\А й
А
Сц
Сч
Л
г
<1м,
Ж
Г
С К
X р
у , >*•
\htsi ь
Р*
а Л' '
у/.
С# Си
9
См,
в
р<>
Сц
У:
7-
о.о оо
*
Си
* <( *
Рис. 6. Эквивалентные расчетные схемы динамической системы лесной фрезерной машины с двухпоточным предохранителем фрикционного типа:
А - до перегрузки; Б - перегружен один рабочий орган; В - перегружены два рабочих органа: а, в - ведомые части системы; б - ведущие части системы; I - первая фаза; II - вторая
фаза
Однако известные теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов машин с активными рабочими органами недостаточно описывают их взаимодействие с почвой и верхней частью корневых систем поросли, а также динамические процессы в гидроприводе.
Рабочий орган предлагаемой нами машины представляет собой ножи, прикрепленные упругодемпфирующими гибкими связями к валу, фрезерует почву на глубину 4...8 см, а также уничтожает по-
росль, перерубает мелкие корни, а с крупных сбивает кору вместе с почками, из которых возможно возобновление поросли (рис. 7).
Для описания работы машины с гибкими активными рабочими органами, с гидроприводом, составлена система дифференциальных уравнений в условиях взаимодействия с лесной почвой, насыщенной корневыми системами поросли.
> ПІ
Рис. 7. Общий вид лабораторной установки для исследования динамики гидропривода
машины для агротехнического ухода
Однако остается неизученным вопрос совместного и раздельного влияния гидропривода и упругих подвесок рабочих органов на динамические свойства системы.
Для прокладки противопожарных полос и тушения низовых пожаров приме-
няются грунтометы ГТ-3 и полосопрокла-дыватели ПФ-1, которые имеют громоздкие механические приводы и не надежны в работе. Нами разработана конструкция по-лосопрокладывателя ПФ-1 с гидроприводом рабочих органов (рис. 8).
1 - корпус; 2 - гидронасос; 3 - навесное устройство; 4 - раздаточный редуктор;
5 - передаточный механизм; 6 - защитный кожух; 7 - дисковые фрикционные муфты;
8 - рабочий орган; 9 - опорный каток
Выбор параметров гидропривода был произведен с учетом его влияния на динамические свойства и на технологические показатели работы машины. Так большие колебания угловой скорости вала гидромотора могут существенно влиять на условия работы активных рабочих органов.
Были проведены полевые исследования по прокладке противопожарных полос на лесных объектах. Агрегат двигался между деревьями по криволинейной траектории без выключения активных рабочих органов, при этом радиус кривизны прокладываемых борозд при поворотах составлял в отдельных местах до 2,4 м. Глубина фрезерных головок полосопрокладывателя находилась в пределах от 14 см до 22 см. Ширина минерализованной полосы равнялась 8,5-10,7 м.
Таким образом, совершенствование систем привода лесных фрезерных машин идет по пути разработки более эффективных предохранительных устройств механического привода и применения гидропривода с обоснованными оптимальными параметрами, что обеспечивает повышение надежности конструкции и производительности агрегатов. Полное освоение производством перспективных новых технических средств позволит достигнуть значительной эффективности механизированных работ при лесовосстановлении на вырубках.
Библиографический список
1. Пат Бартенев И.М., Посметьев
В.И. Об эффективности предохранителей лесных почвообрабатывающих орудий //
Лесное хозяйство. 1997. № 3. С. 44-46.
2. Борисов С.М. Фрикционные муфты и тормоза строительных и дорожных машин. М.: Машиностроение, 1973. 168 с.
3. Попиков П.И. Исследование рабо-
чих процессов фрезы с гидроприводом для понижения пней твердолиственных пород на лесных участках // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГ АУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: Куб-ГАУ, 2012. - № 03 (77). С. 292-302. Шифр информрегистра: 0421200012/0203. Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/03/pdf/
26.pdf
4. Попиков П.И., Драпалюк М.В., Беликов Е.В. Оценка энергоемкости рабочего процесса машины для понижения пней // Известия Вузов СевероКавказского региона. Математическое моделирование и компьютерная оптимизация технологий. Технические науки, 2007. № 5.
С. 76-82.
5. Карамышев В.Р. Защита лесохозяйственных машин от перегрузок. Воронеж: ВГУ, 1991. 169 с.
6. Казаков В.И. Обоснование технологических параметров процесса фрезерования почвы с древесными включениями на нераскорчеванных вырубках: автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 05.21.01. - Пушкино, 1982. 19 с.
УДК 630.232.33
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫСЕВА КРУПНЫХ ЛЕСНЫХ СЕМЯН ЛЕСОПИТОМНИКОВОЙ СЕЯЛКОЙ
ассистент кафедры лесной промышленности, метрологии, стандартизации и сертификации
В. С. Попов
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Качество выхода посадочного материала во многом зависит от работы лесопитомниковой сеялки, в том числе и от работы высевающего аппарата. Поскольку факторов, влияющих на процесс высева семян при работе сеялки достаточно много, то не всегда удается при проведении лабораторных исследований учесть их все [6]. С целью подтверждения проведенных лабораторных исследований [4, 5] и более глубокого изучения работы сеялки предлагается смоделировать процесс высева крупных лесных семян и их взаимодействие с рабочими органами сеялки с помощью компьютерной программы.
Для обоснования параметров лесопитомниковой сеялки исследована её математическая модель. Моделирование лесопитомниковой сеялки основано на методах классической механики [1, 8]. В рамках модели необходимо корректно представить желуди (их форму, механические свойства, движение в пространстве, взаимодействие друг с другом, высевающим аппаратом и почвой), а также сами рабочие органы сеялки (бункер, катушечнолопастной высевающий аппарат, семяпровод).
Основной рабочий процесс высевающего аппарата сводится к перемещению в пространстве желудей, поэтому в
модели необходимо максимально адекватно представить желуди. В рамках модели каждый желудь считается состоящим из трех одинаковых шарообразных твердых тел (элементов), центры которых расположены на одной прямой, а расстояние между соседними элементами составляет DЖ/2, где DЖ - диаметр желудя. Каждый желудь случайно располагается в пространстве в начальный момент времени и в дальнейшем просчитывается движение желудя, под влиянием соседних желудей и поверхностей высевающего аппарата. Такой подход, связанный с разбиением сложного тела на некоторое количество однотипных элементов в общем случае называется "дискретизацией"; более конкретными его модификациями являются метод конечных элементов и метод дискретного элемента (рис. 1).
а
3
Рис. 1. Представление желудя (а) в модели в виде совокупности трех шаров (б)
