автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование комплекса технических и технологических характеристик малогабаритных агрегатов для лесовосстановления

На правах рукописи

ЯКИМОВ Валерий Андреевич

ОБОСНОВАНИЕ КОМПЛЕКСА ТЕХНИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАЛОГАБАРИТНЫХ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ЛЕСОВОССТАНОВЛЕНИЯ

05.21.01- Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

005059547

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск - 2013

16 NA.112013

005059547

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Научный руководитель: Мясищев Дмитрий Геннадьевич

Доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Цыпук Александр Максимович

Доктор технических наук, профессор кафедры технологии и оборудования лесного комплекса ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет» Дербин Василий Михайлович Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой технологии лесозаготовочного производства ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Ведущая организация: ФГБО ВПО Санкт-Петербургский

государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова (СПбГЛТУ)

Защита диссертации состоится 13 июня 2013г. в 12 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 на базе ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета.

Просим Ваши отзывы на автореферат с заверенными подписями направлять в двух экземплярах по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины 17, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.008.01.

Тел./факс (8-8182) 28-75-67, e-mail: alz@atnet.ru Автореферат разослан « 2>с2у> стр 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

А.Е. Земцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Россия одна из богатейших стран по запасам леса. По состоянию на 2010 год они составляют 770,3 млн. га. Объем заготовленного леса на 2010 год равен 106 млн. м3, в 2009 году этот показатель составлял 94,3 млн. м3.

Непрерывное использование лесов и увеличение объемов заготовки возможно лишь при условии их воспроизводства.

Следуя Лесному кодексу, лесопользователю (гражданин или юридическое лицо), получившему участок для заготовки древесины, вменяется в обязанность выполнение лесосечных и лесовосстановительных работ. Лесопользователь, как правило, обладает ограниченными средствами для приобретения ресурсов (лесохозяйственных машин, рабочей силы и т.д).

В Российском лесном комплексе продолжается сложившаяся в XX веке практика. Лесозаготовки и лесовосстановление производятся по энерго- и ресурсозатратным технологиям, часто наносящим урон естественным воспроизводственным способностям леса. Поэтому исходя из увеличивающегося количества малых фермерских хозяйств, которые для своего функционирования требуют новые типы оборудования, предлагается разработка нового посевного оборудования на базе мотошасси с колесной формулой 3x1/1, что представляется актуальным

Цель работы- создание и производственная апробация мобильного посевного агрегата на базе мотошасси.

Объектом исследования является сеялка для посева семян хвойных пород деревьев на базе мотошасси.

Предметом исследования является технологический процесс посева ели обыкновенной в различных условиях и его технологические и эксплуатационные показатели.

Методы исследования заключаются в математическом моделировании функционирования объекта исследований и в эксплуатационных испытаниях его в различных условиях.

Научная новизна результатов исследования определяется тем, что разработана и исследована математическая модель мотосеялки для мелкоконтурных участков с учетом факторов базового шасси и условий применения, что углубляет теорию механизации лесовосстановительных работ.

На защиту выносятся: -концепция компоновки лесного посевного агрегата на мотошасси 3x1/1 -математическая модель лесохозяйственной системы «посевной агрегат на мотошасси Зх1/1-оператор-среда функционирования» в процессе осуществления посева

-методика измерения показателей технологических и энергетических свойств исследуемой системы

-результаты оптимизации проектных параметров посевного агрегата.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается:

аргументированностью принятых допущений при теоретических исследованиях;

- использованием при проектировании классических методик расчета, адаптированных к используемому мотошасси;

- выполнением значительного объема экспериментальных исследований;

- сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Теоретическая значимость работы: разработаны математические соотношения позволяющие оценить энергетические и технологические показатели для оригинального, в условиях лесовосстановления, мотошасси с колесной формулой 3x1/1 Практическая значимость работы:

- разработана методика моделирования и написана программа, позволяющая решать задачи оптимизации для сеялок на базе мотошасси 3x1/1;

- проведены испытания и предложены пути дальнейшего совершенствования посевных агрегатов на мотошасси.

Реализация результатов исследования: -обоснованный и разработанный экспериментальный образец посевного агрегата, был использован в производственном процессе посева ели обыкновенной в условиях Приморского отделения Архангельского лесхоза. Апробация работы

Основные положения диссертации предоставлены на ежегодной научной конференции «Ломоносова достойные потомки» (г.Архангельск 2011 и 2012 г), международной научно-технической конференции . «Актуальные проблемы развития лесного комплекса»(г. Вологда 2012г) Публикации

Основные результаты работы отражены в 5 публикациях, в том числе одна в издании по перечню ВАК. Структура и объем работы

Диссертация объемом 95 страниц включает введение, пять глав, общие выводы и рекомендации, и 4 приложения, содержит 38 рисунков, 5 таблиц. Библиографический список одержит 49 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность темы, цель работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ существующих образцов высевающих агрегатов, рассмотрены варианты посева и его значимость в лесовосстановлении.

Разнообразные агрегаты для лесовосстановления и механизации лесного посева рассматривалась в работах многих ученых, в частности Родионов A.B. рассматривает объединение лесосечных и лесовосстановительных работ приводит оптимальные пути решения повышения эффективности лесопользования, а так же приводит методики расчетов лункообразователей и высевающих устройств.

Вопросы малой механизации представлены в работах Мясищева Д.Г. рассматривается применения мотоблоков и минитракторов в лесном хозяйстве на различных видах работ. Приводятся пример экспериментального мотоблока с широким спектром применения в качестве универсального тягового модуля, в том числе для минисеялок..

Климов О.Г. описывает широкий круг оборудования используемого в лесном хозяйстве, как универсального так и специального.

В работах Соколова А.И., Харитонова В.А. и Кривенко Т.И. поднимаются вопросы механизации посева на нераскорчеванных вырубках и рассматривается история развития и совершенствования этих устройств.

Расчет плугов разнообразных конструкций наглядно описан у Бледных В.В. . Подобный подход позволяет проектировать плуг в зависимости от типа почвы в котором будет использоваться, что неотделимо от лесовосстановления.

Основоположник типологии вырубок Мелехов И.С. указывает в работе на проблемы посева семян на рубках с разным типом почвы. Обосновывает необходимость в установлении заранее (до рубки) прогнозов тех изменений, которые произойдут после рубки.

В разное время проблемами лесовосстановления, в том числе и с применением малой механизации, рассматривали также Александров В.А, Бартенев И.М.,Головина Р.Д., Драпалюк М.В., Козьмин С.Ф., Мельник С.А., Нартов, Д. И., Санников С.Н., Цыпук A.M., Шабанов МЛ. и др. В качестве основного способа лесовосстановления применяются хорошо зарекомендовавшие себя сеялки-трости, и навесное оборудование на трактора и другие тяговые агрегаты(рисунок 1).

При анализе не было найдено описание возможного использования мотошасси в посеве леса, поэтому автор счел нужным выделить его в отдельную группу.

Исходя из анализа научных работ в лесовосстановлении были сформированы следующие задачи исследований:

- разработать концепцию посевного агрегата на мотошасси;

- дать научное обоснование для оптимального выбора проектных и технологических параметров;

-изготовить, исследовать и испытать экспериментальный образец;

- оценить результаты производственных испытаний и экологическое воздействие агрегата.

Рисунок 1 - Малогабаритное посевное оборудование и его несущие системы

Во второй главе приводятся теоретическое обоснование математической модели движения агрегата в режиме посева, а также проводится обоснование типа сошника и высевающего аппарата для сеялки.

Модель строится по опытному образцу с компоновочной схемой 3x1/1

Параметрами варьирования в модели являются (рисунок 2): параметр Д, смещение положения бокового колеса вдоль тягового агрегата; параметр а, фланговый вылет бокового опорного колеса (в модели принимается как длина лучей-ребер пирамидальной конструкции рамы); параметр с, расстояние между тяговым модулем агрегата и узлом крепления сошника на раме.

Подходы для построения модели взяты из тяговой и общей динамики лесных машин. При этом в качестве инструментов научного базиса использованы фундаментальные законы: закон сохранения энергии, закон сохранения количества движения и закон сохранения момента количества движения. Формальное построение модели базируется на методе координат.

При построении модели используется ряд допущений: буксование и скольжение колес ввиду малых скоростей движения не учитываются; ввиду предполагаемой однородности факторов составляющих сопротивление движению от опорной поверхности агрегата при моделировании его прямолинейного перемещения - опору машины считаем горизонтальной поверхностью; предполагаемая однородность обрабатываемого лесного фона позволяет считать его сопротивление рабочему органу принять равному среднему значению; глубину обработки почвы под посев сферическим дисковым сошником в расчетах принимаем средней величиной с учетом многообразия взаимосвязей различных факторов процесса посева и специфики компоновки моделируемого агрегата; текущие препятствия типа "выступ" и "впадина", под правым по ходу движителем агрегата аппроксимируем в виде

абсолютно жесткой равнобедренной треугольной призмы с заданными геометрическими параметрами; в модели предполагается, что дискретные выступы и впадины лесного фона под правым движителем не накладываться друг на друга по курсу прямолинейного движения.

Рисунок 2 - Расчетная схема равномерного движения агрегата в режиме посева

На рисунке 2 представлен переезд препятствия типа "выступ", под правым колесом, с параметрами 1тах, Нтах и Впрептах.

Возникающий увод агрегата от прямолинейного курса компенсируется оператором, путем поворота управляемого колеса на угол втах. Когда возвышенность преодолена, агрегат продолжает прямолинейное движение с заданным курсом. При этом следует оценить радиус вынужденного поворота агрегата Я„овтах во время переезда экстремального препятствия высотой Н,пах.

В последующих математических выкладках для энергетических детерминированных оценок процесса посева исходные данные относятся к усредненного выступу высотой Нвср протяженностью 1(!ср и шириной Веср по курсу движения бокового колеса, а также аналогично для впадины глубиной Нв„.ср, протяженностью 1в„.ср, и шириной Вепср, и полученным в ходе моделирования соответствующим данным Ыв.пов и #в ср для выступа и Явп.Пов и ^вп.ср Для впадины, которые определяются аналогично рассмотренному выше подходу.

Для нахождения Я„овтах рассматриваем треугольные сечения препятствия еом/ и - равнобедренные треугольники с основанием 1тах. Идеализируем

процесс таким образом, что выносное опорное колесо движется по сторонам ео и о\¥, треугольника еом.

и л по 5. max + w ie e .

Ртах tan ^.»псд-

%1т = ^тсгл-

Im sz'rc ртах

' Л» = У2т = Jx*„ +

^лгах У 1т У'2 т

где R„oe.max ~ потенциальный радиус поворота шасси соответствующий Нтах, оценивается как среднее радиусов поворота заднего ведущего колеса и выносного опорного, м;

Lg— база тягового модуля агрегата, м;

Д- смещение бокового опорного движителя вдоль базы агрегата, м;

Отах ~ угол стабилизации действием оператора поворота управляемого колеса при переезде препятствия;

Ртах - угол у основания равнобедренного треугольника с проекцией ezw;

Нтах - максимальная расчетная высота препятствия, м;

Imax - протяженность максимального препятствия, м;

В„реп.тах ~ ширина максимального расчетного препятствия, м;

xim,jX2m - длины граней равнобедренного треугольника с проекцией ezw;

У1т,У2т - длины сторон равнобедренного треугольника eow,м;

Smax - моделируемый путь пройденный правым боковым движителем, при преодолении препятствия, м.

Для нахождения параметров топливной экономичности, необходимо найти механическую работу затрачиваемую двигателем агрегата на преодоления одного препятствия (выступа и впадины по пути движения). В итоговую работу входят: работа от сопротивления резанью сошника; работа затрачиваемая для поворота заднего и бокового колес при переезде выступа на угол бв.ср; затраты на сообщение кинетической энергии агрегату в разных режимах функционирования.

Так же рассчитаем затраты энергии оператором на поворот управляемого колеса мотошасси с целью адаптации машины к заданному прямолинейному направлению движения при взаимодействия системы с препятствием. Так как рама, соединяющая остов двухколесного шасси с правым движителем жесткая, заднее ведущее колесо и боковое опорное будем рассматривать как заднюю тележку.

К = МперАсР (3)

А2=А'2+ А!,' + Еки

(4)

М = Л.

'"Р 4.2 ^ рш ^кг. = - + С,,)

А; = 2Мзад0а.ср

-Ат = 2Рсасутч0а,ф

М,„ =

С = ^Сск + Ссп _ ь31+ь32

(5)

гк1 =0,50К1 + ЛШВШ1

с(.а-т)2(вщУ?

Е** =

где А^ -работа оператора на поворот переднего колеса на угол 02,ср при переезде выступа и возврат управляемого колеса в прежнее положение, Дж., расчет работы оператора на впадинах, А" производится аналогично;

А2, Аз, А; — работа двигателя на преодоление сопротивлений прямолинейному движению от фактора текущего выступа поверхности лесного фона: суммарная механическая работа, приходящиеся на маневры шасси при переезде выступа от заднего и среднего колес и сошника соответственно, Дж;

М,

пер

■ момент возникающий при повороте переднего колеса в ходе

маневра агрегата, Нм.;

¡г — коэффициент сопротивления повороту пневматических колес шасси; Скп — вес моторного модуля агрегата приходящаяся на переднее колесо, Н; рш -давление воздуха в переднем колесе, Па;

М„.

момент возникающий при повороте задней тележки во время

преодоления препятствия, Нм;

С - вес, приходящийся на заднюю тележку, Н;

Ь', Ьз1, Ь,: - ширина колес в задней тележке, средний и ширина ведущего и опорного колеса соответственно, м;

кд - коэффициент блокировки задней тележки; гк гк1,гк2 - расчетные радиусы колес в тележке, средний и радиус ведущего и опорного колеса соответственно, гк2 находится аналогично гк1 , м; Ок1- диаметр обода ведущего колеса, м; коэффициент деформации шины; - ширина профиля шины ведущего колеса, м;

Scp - путь, пройденный правым движителем при переезде среднестатистического выступа, рассчитывается аналогично Smax, м.

Ек„ — кинетическая энергия при текущем маневре, Дж;

Рсш - сила сопротивления резанью, Н;

G4ai - средний вес человека-оператора, Н;

G„ - эксплуатационный вес тягового модуля агрегата, Н;

GCM, Gcn- веса тягового агрегата и вес правого движителя соответственно.

Из полученных математических соотношений можно оценочно прогнозировать затраты топлива выразив их через механическую работу А2, которую реализует энергетическая установка данной машины. В нашем случае это энергия на один маневр, иначе - при переезде среднестатистического по параметрам выступа.

<?в.ср = (6)

г "иЭеПтм

где //^-низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

це - эффективный КПД двигателя шасси;

г].,. - механический КПД системы «рулевой привод + трансмиссия» агрегата;

Is.cp _ количество топлива, израсходованное на переезд одного идеализированного среднего препятствия, кг.

Расчет расхода топлива <?вп.ср для преодоления одной усредненной

впадины на опорной поверхности посевного гона под правым движителем технологического модуля производится аналогично

Оценки количества затраченного топлива и энергии человека на технологический процесс будут приводиться к 1 га. Задана средняя скорость агрегата при посеве V (м/ч). Принимаем в модели частоту появления под правым движителем средней высоты возвышенностей - и„, и соответственно углублений (впадин) усредненной глубины - ивп_ (штук на 1 метр по ходу движения). Площадку в 1 га рассматриваем как квадрат со стороной 100 метров. Зная величину <75.ср, расход топлива во время работы агрегата найдем суммированием количества топлива на переезд всех выступов на площади в 1 га- Gs.cP (кг).

Gs.cp = <73.сри3— (7)

где

^в.ср- суммарный расход топлива на переезд выступов, кг/(1га);

Кг - технологически заданное расстояние между строчками посева, м.

Общее количество топлива на преодоление средних впадин GBacp, находится алогично.

В общий расчет потребления энергоносителя также входит энергоемкость ДВС агрегата при посеве в условиях прямолинейного движения без препятствий G,m, (кг/ч).

<?д5л = —f^ (8)

( Ме = Р^1-

ъъ* (9)

(Рка = Г Ga,COS 0Гукл + Рсс + f"Gzn

где

coKS - угловая частота вращения коленчатого вала двигателя агрегата,

рад/с;

Ме — эффективный крутящий момент на коленчатом валу двигателя в режиме посева, Нм;

Рка- сила тяги агрегата на ведущем колесе в режиме посева, Н;

îTp — передаточное число трансмиссии агрегата в режиме посева;

Цтр - общее КПД трансмиссии агрегата;

аукл - руководящий уклон рабочего участка, где производиться высев.

f',f"r соответствующие коэффициенты сопротивления движению;

Рсс - суммарная сила включающая сопротивление резанья от сошника, от качения опорного колеса с высевающим аппаратом и сопротивление волочению боронки, для упрощения модели прикладывается к месту крепления сошника, Н;

Из полученных в результате зависимостей находим расход топлива (кг) только на прямолинейное движение с учетом двух технологических разворотов в конце строчки посева (посевного гона) на всем участке в 1га.

Gonp = Ю4(^ + 0,022)^f (10)

Затраты топлива на реализацию кинетической энергии движения в данном описании не учитываются в связи с их незначительностью.

Оценивается общий расход топлива на посев 1га, G0 (кг). Расход на преодоление всех препятствий (выступов и впадин) обозначим как СПреп и найдем его долю в %пр от G0. Таким образом в итоге оценивается энергетическая потребность в топливе всего агрегата в целом на 1 проектный гектар посевной площади вырубки(участка)

G0 = Gonp + Gnpen (11)

^преп ^s.cp ^зп.ср (12)

%np=-Sf— (13)

В ходе компьютерного тестирования модели исследуется влияние варьирования входными компоновочными параметрами а, А и с (рисунок 2, все в м), на исследуемые компоненты прогнозируемого расхода топлива. Всего на

данном этапе использовано по 3 значения каждого параметра из конструктивно реализуемых диапазонов

(а = 0,5...1... 1,5 Д = 0 ...0,5... 1 .с = 0,3... 0,7 ...1

В итоге модель предварительно варьировалась 27 раз, для поиска совокупности возможных оптимальных значений а, А и с по минимуму показателя качества (кг) - соответствие (11).

Разработанная математическая модель позволяет исследовать влияние компоновочных параметров а, А и с в задаче обоснования аналогичных агрегата по показателю энергетической эффективности. В связи с тем, что для параметров а и А наблюдаются оптимумы в центральных значениях диапазонов вариант при котором = 0,342 кг,

%лр = 5,44 (при параметрах а = 1,Д = 0,5, с = 0,3), возможно использование данной модели при оптимизации проектных решений рассматриваемого оборудования на этапе проектирования. Параметры а и А следует обосновывать методами нелинейными оптимизации, например эвристическими. Показатель с, как выяснилось, рекомендуется при расчете технологического оборудования по представленной модели, брать конструктивно минимально возможным по компоновочным соображениям и, чтобы снизить энергетическую нагрузку от сошника на тяговый агрегат.

Для оптимального варианта строим графики зависимости итогового расхода топлива от варьирования показателей а и Д.

В третьей главе представлены данные с экспериментального исследования функционирования лесного посевного агрегата на мотошасси 3x1/1.

Объектом исследований является экспериментальный образец высевающего агрегата адаптированный к мотошасси ЗиД-50-01

Подобное крепление обеспечивает снижение нагрузок и улучшает маневренность. Для заделки семян используется обычная боронка шлейфного типа.

Контрольные высев и замер топлива проводились в одном эксперименте.

Агрегат двигался по схеме представленной ниже.

При проведении испытаний на эталонном участке пройден путь (5ЭКСП) находится по следующей формуле .

■^ксп =Вг(^+1) + 2,2а (14)

где Вг.- длинна гона, в нашем случае равна 80 м,

Шг- ширина гона, из эксперимента равна 15 м,

К. - расстояние междурядья , принято 3 м.

Из формулы 14 получаем 8ЭКСП= 513 м.

За 1 га агрегат проходит путь в 3653м с учетом поворотов.

Посев был произведен в борозду. Образуемая борозда 15 см шириной и 3 см глубиной.

Для достоверности полученных значений на протяженности всего экспериментального участка были замерены 50 "выступов" и 50 "впадин", и построены графики математического ожидания, по параметрам этих препятствий (таблица 1).

Осенью 2012 года были получены результаты грунтовой всхожести семян. На эталонном участке был произведен высев 150 гр семян. Дозаторы были настроены на разовую порцию в 50 семян.

Для достоверности эксперимента в 95%, было обсчитано выборочно 50 точек высева, расположенных на всем протяжении участка где проводился посев. Количество всходов получалось в диапазоне 4.. .9 шт. на 1 точку высева. В итоге среднее значение всходов на всем участке составило 6 шт. на 1 точку высева. Исходя из этого процент грунтовой всхожести составил 12%. Что укладывается в требуемый диапазон 5... 15%

1-мокик (мотоцикл), 2-рама, 3- опорное колесо рамы, 4-рамка, 5-дисковый сошник, 6- высевающий аппарат лабиринтного типа, 7- опорно-приводное колесо, 8- ось, 9- вилка, 10- карданный шарнир, 11- ось, 12- груз, 13- регулировка угла схождения

Рисунок 3 - Компоновочная схема агрегата адаптированного к мотошасси ЗиД-50-01.

1

15

не-————--------Ы

Рисунок 4 - Схема экспериментального участка для посева (размерность и измерения расхода топлива

Рисунок 5 - Движение агрегата в режиме посева

Таблица 1 - Математическое ожидание "выступов" и "впадин"

Название параметра Математическое ожидание величины, в м

Высота препятствия "выступ" 0,0988

Ширина препятствия "выступ" 0,59

Длинна препятствия "выступ" 0,904

Высота препятствия "впадина" 0,101

Ширина препятствия "впадина" 0,82

Длинна препятствия "впадина" 1,128

Проведенные исследовательские испытания подтвердили возможность использования сеялки на базе мотошасси 3x1/1 в лесных условиях.

В четвертой главе производится обоснование проектных параметров и технологии применения лесного посевного агрегата на шасси 3x1/1.

Основываясь на том, что построенная математическая модель дает приемлемый результат была разработана на алгоритмическом языке Turbo

......«ï ,'i 1J I ■ IM > .Я* Щ | OB7.|X< J.IS-

Рисунок 6 - Общий вид всходов на почвенном фоне

В ней, в качестве целевой функции используется показатель расхода топлива О0 (формула 11), а управляемыми переменными параметрами являются

Д и а (рисунок 2). Методом оптимизации является метод прямого поиска (метод Спендли-Химсворта).

Полученные в результате эксперимента данные были внесены в программу. В результате работы по вычислительной программе было выявлено, что ширина препятствий "выступа" и "впадины", полученные экспериментально, не согласуются с представленной математической моделью, т.к. при перезде препятствия используется лишь его часть.

На основании визуального наблюдения при движении было предложено принимать ширину препятствия используемую для переезда агрегата равную 1/3 от ее измеренной ширины.

Ввиду наличия буксования ведущего колеса при движении агрегата в режиме посева, был введен расчетно-оценочный коэффициент буксования принимаемый в расчетах равный 70%.

Таблица 2 - Сравнение теоретических и практических результатов

Теоретический расчет Эксперимент Расхождение

Расход топлива на 1 га.(в кг) 0,532 0,566 6,01 %

Скорость посева (в к/ч) 5 4,78 4,6%

Производительность (в га ч) 1,5 1,39 7,9%

Полученные в результате тестирования программы данные, с заданными параметрами взятыми из экспериментального образца и с участка проведения эксперимента, были сравнены с практическими результатами.

Исходя из полученных из программы расчетов можно сделать вывод, что самыми оптимальными параметрами для имеющегося шасси являются: смещение положения бокового колеса вдоль тягового агрегата Д=0,61 метра и фланговый вылет бокового опорного колеса а=0,78 метра. Вариация этих параметров показала, что оба этих параметра соответствуют минимальному расходу топлива О0= 0,5317 кг в привязке к 1 Га.

Параметр а, в м

Рисунок 8 - Сечение целевой функции О0 по параметру а (А=0,61)

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В результате проведенных исследований были сделаны следующие выводы:

1. Проведенный эксперимент в условиях вырубок с образцом сеялки базирующейся на мотошасси ЗиД 50-01, подтвердил возможность использования подобных агрегатов, с компоновочной схемой 3x1/1, при лесовосстановительных работах в разных условиях.

2. В качестве показателя эксплуатационной эффективности технологического процесса на участках посева, следует установить расход топлива на технологический процесс (работа в режиме посева) (в кг) отнесенных к 1 Га.

3. Использование предлагаемого технологического процесса требует подготовки участка, а именно создание технологического коридора в котором будет осуществлен высев семян.

4. Предложена оригинальная математическая модель для оптимизации проектных параметров агрегата на стадии проектирования, с целью минимизации суммарного технологического расхода топлива и обоснования оптимальных параметров агрегата.

5. Экспериментальные значения расхода топлива отличаются для исследовательских условий на 6,01 %

6. Полученные результаты теоретических исследований показывают, что оптимальный расход топлива G0=0,532 кг реализуется при смещении положения бокового колеса вдоль тягового агрегата Д=0,61 метра и показателя флангового вылета бокового опорного колеса а=0,78 метра. Это следует учитывать при дальнейшем совершенствовании уже созданного экспериментального образца.

7. Разработанная теоретическая математическая модель и экспериментальная методика могут быть использованы для создания подобных посевных агрегатов на других мотошасси.

8. В результате опытного посева ели обыкновенной грунтовая всхожесть составила 12%.

Для повышения эффективности разработанной мотосеялки с колесной формулой 3x1/1 рекомендуется использовать другой тяговый агрегат.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

По перечню ВАК

1.Якимов В. А., Мясищев Д.Г. Постановка задачи оптимизации компоновки лесного посевного агрегата на шасси 3-1/1 [Текст]/ В.А. Якимов, Д.Г. Мясищев //В кн. ИВУЗ "Лесной журнал" №5 2012 г. с.88-99

Прочие

2. Якимов В.А., Мясищев Д.Г. Математическая модель посевного агрегата на мотошассии. [Текст]./ В.А. Якимов, Д.Г. Мясищев // г. Самара. Периодическое научное издание "Научный аспект"№3 2012г с. 129-142,

3. Якимов В.А.. Разработка сеялки для семян хвойных пород деревьев на базе мокика 50-01. [Текст]./ В.А. Якимов. // Электронный сборник тезисов ежегодной X научной конф. "Ломоносова достойные потомки" 2011 г с. 276277

4. Якимов В.А.. Экспериментальные исследования функционирования лесного посевного агрегата на мотошасси 3x1/1 [Текст]./ В.А. Якимов. // Электронный сборник тезисов ежегодной XI научной конф. "Ломоносова достойные потомки" 2012 г с. 142-143

5 Якимов В.А.. Обоснование компоновочной схемы системы " шасси мокика зид-50 -высевающее устройство" для хвойных пород на мелкоконтурных вырубках. [Текст]./ В.А. Якимов. // Материалы межд. науч.-технич. конф. "Актуальные проблемы развития лесного комплекса", Вологда 2012 г. с. 148-150

Подписано в печать 25.04.2013. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №1517.

Издательско-полиграфический центр им. В.Н. Булатова ФГАОУ ВПО САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени

М.В. Ломоносова»

На правах рукописи

п42Ги 35^6^4

ЯКИМОВ Валерий Андреевич

ОБОСНОВАНИЕ КОМПЛЕКСА ТЕХНИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАЛОГАБАРИТНЫХ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ЛЕСОВОССТАНОВЛЕНИЯ

Специальность 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и

лесного хозяйства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Доктор технических наук,

профессор

Мясищев Д.Г.

Архангельск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 .Аналитический обзор 5 1.1 .Роль посева в структуре лесовосстановления 5 1.2. Способы и типы посева семян разных пород, лесохозяйственные требования 5

1.3 Обзор и классификация оборудования для посева 7

1.4 Малогабаритное посевное оборудование 13

1.4.1 Малогабаритные шасси для посевного оборудования 13

1.4.2 Типы высевающих устройств 21

1.5 Основные типы предпосевной обработки почвы 23

1.6 Обзор научных исследований в области механизации лесного посева 23

1.7 Выводы 25

1.8 Цель и задачи исследования 25

2 Теоретические основы компоновки и применения лесного посевного агрегата на мотошасси 3x1/1 26

2.1 Обоснование потенциальной мобильной базы агрегата 26

2.2 Выбор типа сошника 26

2.3 Выбор типа высевающего аппарата 30

2.4 Математическое моделирование компонентов процесса посева агрегатом на мотошасси 3x1/1 30

2.4.1 Математическое моделирование особенностей тягового и мощностного баланса 31

2.4.2 Математическое моделирование особенностей энергоемкости функционирования 38

2.5 Выводы 43 3. Экспериментальные исследования функционирования лесного посевного агрегата на мотошасси 3x1/1 46

3.1 Объект экспериментальных исследований 46

3.2 Программа и методика полевого эксперимента 48

2

3.2.1. Условия проведения эксперимента 48

3.2.2. Измерительная аппаратура и инструмент 50

3.2.3. Планирование исследовательских испытаний и проведение эксперимента 51

3.2.4. Анализ результатов исследовательских испытаний 54 3.3. Выводы 61 4. Обоснование проектных параметров и технологии применения

лесного посевного агрегата на шасси 3x1/1 62

4.1. Оптимизация проектных параметров компоновки 65

4.2. Выбор технических решений для повышения эффективности результатов посева ели агрегатом на шасси 3x1/1 65

4.3. Особенности технологии применения 65

4.4. Выводы 66 5 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 67 Список источников 69 Приложение 1 74 Приложение 2 79 Приложение 3 84 Приложение 4 86

ВВЕДЕНИЕ

Россия одна из богатейших стран по запасам леса. По состоянию на 2010 год они составляют 770,3 млн. га. Объем заготовленного леса на 2010

3 3

год равен 106 млн. м , в 2009 году этот показатель составлял 94,3 млн. м . [1]

Непрерывное использование лесов и увеличение объемов заготовки возможно лишь при условии их воспроизводства.

Следуя Лесному кодексу, лесопользователю (гражданин или юридическое лицо), получившему участок для заготовки древесины, вменяется в обязанность выполнение лесосечных и лесовосстановительных работ. Лесопользователь обладает ограниченными средствами для приобретения ресурсов (лесохозяйственных машин, рабочей силы и т.д).

В Российском лесном комплексе продолжается сложившаяся в XX веке практика. Лесозаготовка и лесовосстановление производятся по энерго- и ресурсозатратным технологиям, часто наносящим урон естественным воспроизводственным способностям леса.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Лес относится к возобновляемым природным ресурсам. Одним из методов восстановления является посев семян различных пород деревьев на местах вырубок после предварительной подготовки участка (уборка порубочных остатков и пней).

Ввиду большого износа материально-технической базы в лесном комплексе (более 80% ) [1], высокой стоимости нового оборудования, а также нерентабельности его использования на малых площадях актуально внедрение малой механизации в лесном комплексе.

1.1 Роль посева в структуре лесовосстановления

Посев является одним из важнейших звеньев в цепочке

лесовосстановления. От правильности посева в целом зависит всхожесть и дальнейшее развитие семенного материала. Во всем лесовосстании посев составляет 30% .

1.2 Способы и типы посева семян различных пород, лесохозяйственные требования

Восстановление лесов производится как искусственными, так и естественными методами. Естественное возобновление базируется на сохранении жизнеспособного подроста и оставление на вырубках деревьев обсеменителей. Содействие естественному лесовостановлению заключается в минерализации почвы, выполняемой различными по конструкции покровосдирателями.

Искусственное восстановление лесов производится по двум направлениям: посевом семян и посадкой саженцев. При этом на вырубках все равно оставляют небольшое количество деревьев обсеменителей. Посев производится механизированным и ручным способом, по подготовленной лентами или микровозвышениями почвы.

Ручной посев производят на дренированных почвах по дну мелкой

борозды строчным высевом семян в один ряд.

5

Так же имеется несколько механизированных способов посева семян, которые применяются в зависимости от условий посева.

На влажных и переувлажненных почвах семена высеваются в создаваемый дисковыми боронами пласт.

Большое распространение так же получила ручная и механизированная посадка саженцев.

Лучшим временем посева является ранняя весна. Весенние посевы следует производить возможно раньше, как только позволит почва. Наиболее ранние посевы дают и наиболее развитые растения. Осенние посевы применяют реже, так как они большей частью бывают связаны с риском уничтожения семян грызунами или вымерзания. Преимущество осенних посевов состоит в более раннем появлении всходов, что дает им возможность до наступления засушливой погоды достаточно укорениться и окрепнуть. В настоящее время в большинстве случаев посев хвойных пород деревьев проводят в весенне-летний период.

Существует 2 вида посевов —рядовые и групповые. Групповые посевы производятся: лунками, площадками, гнездами и лентами. Для рядового посева леса используют механизированный способ при помощи тракторных сеялок.

Высев семян производится одновременно с обработкой почвы. Для этого применяют комбинированные орудия, которые представляют собой покровосдиратели-сеялки. На навесном плуге может быть и посевное устройство.

Существуют места на вырубках, которые не доступны для полноценной обработки и посева техникой. Или такие площади имеют свежие незадернелые участки, то допускается посев без основательной обработки почвы: производится поранение почвы рыхлителями. Посев производится вручную при помощи ручных сеялок-рыхлителей.

На внушительных территориях старых пожарищ или концентрированных вырубок в зоне хвойников производят аэросев, если,

б

позволяют условия. Если при помощи аэросева высеивают сосну обыкновенную, то участки посева - незадернелые старые пожарища с погибнувшей подстилкой. Либо это участки 1-2-х годовалых вырубок на песчаниках, супесях или свежих почвах, но не имеющих в наличие семенников и подроста хвои. Если цель посева - ель европейская, то участки посева являются гари на супесях и суглинках, при этом пожар должен уничтожить не менее половины хвойного древостоя.

1.3 Обзор и классификация оборудования для посева

Для успешного роста восстанавливаемого леса, производят подготовку почвы под посев семян. При при выборе средств посева основное внимание следует уделять состоянию и типу почвы, наличию пней и другим факторам. Их правильная оценка позволяет снизить трудовые и финансовые затраты и повысить эффективность лесовосстановления.

Современная промышленность предлагает широкий спектр устройств как отечественного так и импортного производства.

Примером ручного инструмента может служить представлена на рисунке 1 сеялка трость СТ-1Х, предназначенная для искусственного лесовосстановления хвойных пород лесных культур методом посева.

Обеспечивает достаточно точное дозирование сыпучих семян сосны, ели, лиственницы и т.п. порциями, точечную подачу их в посевную лунку на оптимальную глубину и их заделку.

Восстановление леса методом посева имеет свои преимущества т. к. ближе к естественным процессам развития лесной растительности.

Закладка лесных культур методом посева менее трудоемка и не требует больших энергозатрат. Процесс посева происходит значительно быстрее, чем посадка. Развитие сеянцев, формирование корневой системы и стеблей происходит в естественных условиях на постоянном месте без каких-либо искажений и пороков.

Количество точек высева за смену составляет около пяти тысяч штук

* зк

Рисунок 1- Сеялка трость СТ-1Х

Примером ручного инструмента так же может служить «Меч Колесова» - узкая стальная лопата для посадки сеянцев и саженцев лесных культур (рисунок 2).

До настоящего времени, скоро уже почти 130 лет, меч Колесова широко применяется в лесокультурной практике России и стран Восточной Европы. Название орудия от фамилии разработчика и изобретателя — Александра Андреевича Колесова.

Изначально сажальный меч Колесова был предложен для посадки сосны на песчаных почвах. Он сделан из железа и состоит из пластины и железного стержня. Пластина имеет в длину 38 см, в ширину 10... 13 см, в толщину сверху 3...2,5 см. Стороны и нижний конец пластины отточены. Стержень (черенок) цилиндрический, длиной 58 см и диаметром около 2,5...3 см. Верхний конец стержня имеет муфту для деревянной рукоятки длиной

около 36 см и диаметром 4 см. Вес меча - от 4 до 5,4 кг. При помощи этого меча пробивается щель в почве для посадки растений.

В зависимости от почв и роста рабочих размеры и вес мечей могут колебаться.

Длина клинка одна и та же; ширина его вверху и внизу, а также толщина его и стержня изменяются. Рабочая часть мечей тщательно отшлифовывается, а лезвия перед работой оттачиваются.

Рисунок 2 - Меч Колесова

Сажальные мечи могут иметь и другие размеры, например более широкую и

сравнительно короткую лопасть для посадки растений с короткой корневой системой.

При посадке леса мечом Колесова работают всегда попарно: мечник и сажальщик. Один из них - сажальщик, берет ведро, в которое до 1/3 его налита вода. В эту воду бросается две-три горсти суглинистой земли и в

такой грязной воде и держатся корни сеянцев, забираемых с носилок штук по 50-80 за раз.

Мечник обеими руками поднимает меч перед собой, резко углубляет его в почву на глубину 25...30 см, расшатывает в направлении от себя и к себе, делает таким образом углубление в виде узкой щели шириной не менее 10 см и вынимает меч из почвы. Сажальщик берет из ведра сеянцы по одному, вставляет сеянец с обнаженной корневой системой в щель, наблюдая, чтобы корни сеянцев хорошо опускались в углубления, бросает в нее немного земли, чтобы расправить корень (не допустить, чтобы оно переплелось или загнулось), и подтягивает сеянец немного кверху. При этом корневая шейка саженца должна быть на 1.. .2 см ниже поверхности почвы. Дальше мечник вгоняет меч в землю на расстоянии 8... 10 см от первой щели и подтягивая ручку на себя защемляет нижнюю часть корневой системы, а отталкивая ручку от себя — верхнюю ее часть и корневую шейку. Повторным приемом, заглубляя меч на половину глубины щели, закрывают и эту щель, углубление остающееся после вынутого меча, заделывают ногой. Корневая система сеянца должна быть плотно зажата и не должны оставаться воздушные полости. Если плотность прилегания не обеспечена и сеянец легко, двумя пальцами (указательным и средним), можно вытянуть из земли - приживаемость его маловероятна, и такая работа признается неудовлетворительной.

К ручному инструменту можно отнести: ружье Шульца, голандский рожок, сеялку Борисова, сеялку Лунашевича, посевную трость СПбНИИЛХ, Колесова и др.

Предлагается так же множество устройств для посева агрегатируемых с тракторами и харвестерами как отечественного так и импортного производства. В качестве примера можно рассматреть покровосдиратель-сеялку ПДН-1А и ударный лункообразователь Л-2У[2].

Покровосдиратель - сеялка ПДН-1А предназначен для обработки

дренированных богатых в отношении плодородия каменистых почв на

10

нераскорчеванных вырубках и одновременного механизированного посева семян хвойных пород (сосны, ели, лиственницы) в минерализованную полосу при создании культур посевом.ПДН-1А может применяться также на содействии естественному возобновлению леса путем поражения напочвенного покрова и на прокладке противопожарных минерализованных полос в лесу.

Орудие может агрегатироваться с тракторами ЛХТ-55,ЛХТ-55М и ТДТ-55,оснащенными гидравлическим задним подъемно-навесным устройством.

Покровосдиратель-сеялка ПДН-1А, рис.3,состоит из рамы(1),упряжного бруса(2),сошника(3),двух батарей дисков(4), пружинно-штокового механизма сошника(5),ограничителя глубины хода орудия(б),навесного устройства орудия(7),сеялки(8) и устройства для заделывания семян в почву (шлейф-боронки)(9).

Рама,сварной конструкции, предназначена для крепления всех узлов орудия. В ее конструкцию входят: брус рамы с осью балансиров,продольный тяговый брус, кронштейн сошника, трубный корпус пружин сошника с четырьмя кронштейнами для крепления корпуса к продольному брусу и кронштейна для крепления нижнего конца укосины навесного устройства, упора сошника с резиновой подушкой, двух ограничителей колебания балансиров, кронштейна для крепления шлей-боронки, ограничительной планки сошника и шарового шарнира упряжного бруса.

Упряжной брус,предназначен для крепления орудия к нижним тягам подъемно-навесного устройства трактора и тяги покровосдирателя-сеялки трактором. Конструкция бруса сварная и включает в себя трубу квадратного сечения, на концах которой имеются серьги для присоединения нижних тяг навески к орудию. Сверху приведены два кронштейна для крепления стоек навесного устройства орудия. Кронштейны усилены планками. К задней стороне трубы приварены две тяговые планки, которые усилены четырьмя косынками.

Лункообразователь Л-2У предназначен для двухрядного приготовления лунок с последующей ручной посадкой в них саженцев и сеянцев с целью создания лесных культур на не раскорчеванных вырубках с числом пней до 1 ООО шт./га, а также на гарях, пустырях, рединах и при реконструкции малоценных насаждений. Область применения — лесная зона Российской Федерации. Выбор трактора для агрегатирования лункообразователя Л-2У определяется характером рельефа и почвенными условиями. При

применении Л-2У допускается узкополосная расчистка вырубки от препятствий на пути движения агрегата (обломков хлыстов, валежа, куч порубочных остатков).

Так же на базе лункообразователя Л-2У разработана сеялка Л-2УС, которая является сменным приспособлением устанавливаемым вместо игл. Приспособление предназначено для строчно-луночного посева мелких сыпучих семян (преимущественно хвойных древесных пород) по минерализованным полосам одновременно с обработкой почвы.

На рисунке 4 представлен внешний вид агрегата. Где: 1-остов,2-навеное устройство, 3-качающийся рычаг, 4- игла, 5-лыжеобразный полоз, 6-пружина.

Рисунок 4 - Внешний вид ударного лункообразователя Л-2У 1.4 Малогабаритное посевное оборудование 1.4.1 Малогабаритные шасси для посевного оборудования. Малогабаритное посевное оборудование представлено на схеме

(рисунок 5)

Средства малой механизации в лесов осст ановл еш и

Ручной инструмент

Минитрактора Мотоблоки Мотошасси

Рисунок 5,- Малогабаритное посевное оборудование и его несущие системы

Ручной инструмент был представлен выше. В качестве тягового устройства в малой механизации при лесовосстановлении используются минитрактора и мотоблоки. При анализе не было найдено описание возможного использования мотошасси в посеве леса, поэтому автор счел нужным выделить его в отдельную группу.

Минитракторы (четырехколесные ездовые малогабаритные тракторы) выполняются по классическим компоновочным схемам, принятым в тракторостроении, рабочее место оператора всегда располагается на самом минитракторе . Обычно используется четырехколесная (двухосная) ходовая часть с приводом на все четыре или только на два колеса. На минитракторах двигатель устанавливается, как правило, в передней части. Как и в обычных тракторах, в них используются либо цельные, либо шарнирно сочлененные рамы.Минитрактора чаще встречаются за рубежом, вызвано это большим распространением лесных фермерских хозяйств чем в России. Используются в основном на стадии заготовки древесины, а также на стадии ухода . Замечено постепенное трансформирование вездеходов в минитрактора. Представлены такими фирмами как: Honda, Suzuki, KUBOTA и др. На них устанавливаются бензиновые