автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование параметров и режима работы площадкоделателя вокруг пней

На правах рукописи

<ж

Поздняков Евгений Владиславович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМА РАБОТЫ ПЛОЩАДКОДЕЛАТЕЛЯ ВОКРУГ ПНЕЙ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат ¿015

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005569932

Воронеж - 2015

005569932

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия» (ФГБОУ ВПО «ВГЛТА»).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Заслуженный лесовод РФ Бартенев Иван Михайлович

Официальные оппоненты: Алябьев Алексей Федорович, доктор технических

наук, старший научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса», кафедра колесных и гусеничных машин, профессор

Фокин Сергей Владимирович, доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», кафедра лесного хозяйства и мелиорации, заведующий кафедрой

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образо-

вательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет» (г. Ухта)

Защита диссертации состоится «2» июля 2015 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ауд. 146.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Воронежской государственной лесотехнической академии

(http://www.vglta.vrn.ru/rassmotrenie-dissertacij-v-sovete-d-212-034-02)

Автореферат разослан «18» мая 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Алексей Дмитриевич Платонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в условиях вырубок и лесных пожаров проблема восстановления лесов становится все более актуальной. Лесовос-становление - это сложный, многооперационный технологический процесс, включающий расчистку вырубок от порубочных остатков и пней, подготовку почвы, посадку и уход за лесными культурами. Наиболее энергоемкой и затратной операцией является удаление пней.

Одним из распространенных способов удаления пней является их корчевание различными корчевателями, корчевателями-собирателями и корчевальными машинами. Однако, технологический процесс известных корчевателей (КМ-1, ОРВ-1,5, Д-513А и др.) имеет ряд существенных недостатков, к которым относятся высокая энергоемкость, низкая производительность, разрушение структуры и удаление до 60 % плодородного слоя почвы, повышение пожароопасности и создание условий для аккумуляции вредителей леса.

Это послужило поводом для создания технических средств (МУП-4, МПП-0,75, МДП -1,5 и др.), понижающих пни путем срезания, дробления, высверливания и фрезерования активными рабочими органами, которые снижают вредное воздействие на окружающую среду, более эффективно используют мощность двигателя трактора и производительней по сравнению с рычажными корчевателями. Однако эти машины из-за интенсивного абразивного износа рабочих органов не реализуют заложенную в их конструкцию более высокую производительность и, главное, понижают пни только до 0...5 см над поверхностью почвы. Оставшаяся в почве часть пней продолжает оставаться существенным препятствием для работы плугов, культиваторов, лесопосадочных машин.

Как показывает имеющийся опыт, и исходя из агротехнически установленных глубин обработки почвы и посадки, пни необходимо удалять ниже поверхности земли на глубину до 15...20 см. В этом случае значительно снижаются динамические нагрузки на рабочие органы машин, эксплуатируемых на вырубках и гарях, возрастают скорости поступательного движения агрегатов, создаются условия для полной механизации процесса лесовосстановления и повышения качества выполняемых работ.

Поэтому для повышения эффективности работы всего комплекса лесокуль-турных машин на вырубках и гарях целесообразно пни очищать от почвы и удалять ее вокруг каждого пня, образуя площадку-углубление глубиной до 15...20 см и диаметром, достаточным для осуществления технологического процесса, например, дробления рабочим органом типа МУП-4.

Разработка новой конструкции площадкоделателя вокруг пней требует теоретических и экспериментальных исследований, направленных на оптимизацию конструктивных и технологических параметров рабочих органов, обеспечивающих подготовку площадок-углублений вокруг пней и их очистку от почвы.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» «Разработка ресурсо- и экологосберегающих технологий и обоснование типа и параметров рабочих органов машин для лесовосстановления и лесоразведения в лесостепной и степной зонах РФ» (№ гос. регистрации 01201168736).

Степень разработанности темы. Вопросам изучения процессов удаления

з

пней корчевателями и машинами с активными рабочими органами посвящены работы Алябьева А.Ф., Баранова А.И., Бартенева И.М., Винокурова В.Н., Драпалю-ка М.В., Жданова Ю.М., Казакова В.И., Попикова П.И., Посметьева В.И., Серикова Ю.М., Сухова И.В., Фокина C.B. и др. Проведенный анализ этих работ свидетельствует о том, что удаление пней машинами с активными рабочими органами является перспективным способом. Но имеющихся данных недостаточно для совершенствования технологического процесса и разработки более эффективных технических средств. Одним из перспективных направлений является разделение процесса удаления пней на очистку от почвы их подземной части и собственно дробление на глубине до 15...20 см ниже поверхности почвы.

Цель и задачи исследования. Повышение качества механизированной подготовки пней к понижению ниже поверхности почвы путем обоснования параметров технологического процесса и рабочих органов площадкоделателя, обеспечивающих создание площадок-углублений вокруг пней и их очистку от почвы в пределах глубины площадки.

Исходя из поставленной цели работы, определены следующие задачи:

1) разработать новое техническое решение по образованию площадок-углублений вокруг пней с их очисткой от почвы в пределах глубины площадки;

2) разработать математическую модель рабочего процесса подготовки пней к понижению ниже поверхности почвы площадкоделателем с гибкими рабочими органами, вращающимися одновременно на горизонтальной оси и вокруг пня;

3) установить зависимости взаимодействия гибких рабочих органов площадкоделателя с боковой поверхностью пня и почвой;

4) провести лабораторные и полевые испытания площадкоделателя с гибкими рабочими органами и разработать рекомендации по его внедрению в производство.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются конструкция площадкоделателя и рабочий процесс подготовки пней к понижению ниже поверхности почвы. Предметом исследования являются конструктивные и технологические параметры гибких рабочих органов площадкоделателя и основные параметры его рабочего процесса.

Научная новизна работы:

1) разработано новое техническое решение процесса механизированной подготовки пней к понижению, отличающегося образованием площадок-углублений вокруг пней и их очисткой от почвы, производимого за счет площадкоделателя с гибкими рабочими органами (патент РФ на изобретение № 2496294);

2) разработана математическая модель рабочего процесса площадкоделателя вокруг пней, отличающаяся учетом механических свойств гибких рабочих органов площадкоделателя, вращающихся одновременно на горизонтальной оси и вокруг пня;

3) установлены аналитические зависимости взаимодействия гибких рабочих органов площадкоделателя с боковой поверхностью пня и почвой, отличающиеся учетом влияния кинематических и конструктивных параметров площадкоделателя, параметров его гибких рабочих органов и очищаемого пня на показатели эффективности технологического процесса машины;

4) установлены зависимости для определения основных конструктивных

4

параметров и режимов работы площадкоделателя вокруг пней, учитывающие вращение гибких рабочих органов вокруг пня при их одновременном вращении на горизонтальной оси.

Теоретическая значимость работы заключается в результатах исследования взаимодействия гибких рабочих органов площадкоделателя с почвой и боковой поверхностью пня, учете влияния параметров гибких рабочих органов и пней на процесс создания площадок-углублений вокруг пней и их очистки от почвы, в установленных зависимостях показателей эффективности технологического процесса площадкоделателя от его конструктивных и технологических параметров.

Практическая значимость работы состоит в разработке новой конструктивно-технологической схемы площадкоделателя вокруг пней, рекомендаций по выбору основных параметров его гибких рабочих органов и процесса подготовки пней к понижению ниже поверхности почвы. Результаты внедрены в учебно-опытный лесхоз ФГБОУ ВПО «ВГЛТА», в ООО «Сталь-синтез», в ОАО «Центральное опытно-конструкторское бюро лесохозяйственного машиностроения», в ТОГАУ «Горельский лесхоз» Тамбовской области, в ТОГАУ «Тамбовский лесхоз» Тамбовской области, в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Научные результаты, полученные при проведении исследований, соответствуют п. 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин» паспорта специальности 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретические исследования были проведены на базе имитационного моделирования и разработки математической модели технологического процесса подготовки пней к понижению с применением классической динамики (метода динамики частиц) и метода конечных элементов. Решение систем дифференциальных уравнений проводилось при помощи численного интегрирования на ЭВМ. Проведение экспериментальных исследований осуществлялось с применением теории планирования и общепринятой методики обработки экспериментальных данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) новое техническое решение по подготовке пней к понижению, позволяющее создавать площадки-углубления вокруг пней и очищать их от почвы;

2) математическая модель рабочего процесса подготовки пней к понижению ниже поверхности почвы площадкоделателем с вращающимися одновременно на горизонтальной оси и вокруг пня гибкими рабочими органами, позволяющая осуществлять теоретические исследования на основе имитационного моделирования;

3) аналитические зависимости взаимодействия гибких рабочих органов площадкоделателя с боковой поверхностью пня и почвой, позволяющие определить влияние кинематических и конструктивных параметров площадкоделателя и его гибких рабочих органов, а также параметров пня на показатели эффективности технологического процесса машины;

4) зависимости основных конструктивных параметров и режимов работы площадкоделателя с гибкими рабочими органами от размеров и характера по-

5

верхности пней, позволяющие обеспечивать высокую полноту и качество очистки боковой поверхности пней от почвы.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована теоретически и доказана лабораторными и полевыми исследованиями, проверкой опытного образца пло-щадкоделателя вокруг пней, оснащенного гибкими рабочими органами, в условиях вырубок и гарей, статистической обработкой результатов экспериментов.

Диссертационная работа выполнена на кафедре механизации лесного хозяйства и проектирования машин ФГБОУ В ПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» в 2012-2015 гг.

Основные положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2012-2015 гг.), II международной научной конференции «Технические науки: теория и практика» (г. Чита, 2014 г.), XV международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2014» (г. Ухта, 2014 г.), международной научно-технической конференции «Механика технологических процессов в лесном комплексе» (г. Воронеж, 2014 г.), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы научных исследований XXI века: теория и практика» (г. Воронеж, 2014 г.), VII международной научно-практической конференции «Научное обозрение физико-математических и технических наук в XXI веке» (г. Москва, 2014 г.).

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, планировании и проведении экспериментов, разработке конструкций лабораторной и полевой установок, выполнении вычислительных операций, анализе результатов работы, подготовке основных публикаций по теме исследования.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 18 работах, включая 7 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патент на изобретение и 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и рекомендаций, библиографического списка и приложений. Общий объем работы - 178 страниц машинописного текста, из них основного текста - 156 страниц. Работа включает 67 рисунков, 25 таблиц и 143 использованных источника, 11 из которых иностранные.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена актуальность исследований, сформулированы цель, задачи работы и выносимые на защиту научные положения, показаны новизна и значимость научных исследований, результаты внедрения.

В первой главе дана характеристика пней различных пород и различных почвенных условий, проанализированы технологии удаления пней, представлен обзор технологических процессов, конструкций и рабочих органов машин для удаления пней.

На основе анализа научно-исследовательских работ и патентного поиска установлено, что наиболее производительными и экологически безопасными являются устройства, рабочие органы которых воздействуют только на надземную

б

часть пней. Однако они имеют недостаток: оставшаяся подземная часть препятствует дальнейшим операциям лесовосстановления. Понижение пней ниже поверхности почвы, в свою очередь, затруднено из-за ее абразивных свойств, поэтому необходимо предварительно готовить площадки-углубления вокруг пней и очищать их от почвы в пределах глубины площадки. Параметры данного технологического процесса не обоснованы, следовательно, необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований.

Во второй главе представлена разработанная математическая модель взаимодействия гибких рабочих органов площадкоделателя, конструкция которого защищена патентом на изобретение РФ № 2496294 (рисунок 1), с почвой и боковой поверхностью пня.

Агрегат для формирования площадок-углублений вокруг пней (рисунок 1, а) включает в себя трактор МТЗ-80/82 1, гидроманипулятор ЛВ-210 2, винтовой ротатор 3 и площадкоделатель, состоящий из поперечного бруса 4, двухшто-кового гидроцилиндра 5, роторов 6, четырехзвенных шарнирных подвесок 7 роторов к раме, гидросистемы и органов управления.

Рабочий орган (рисунок 1, б) имеет вал 8 круглого сечения, на котором установлены четыре секции и гидромотор 9. Каждая секция представляет собой диск 10 со ступицей 11. К дискам при помощи хомутов крепятся гибкие рыхляще-сдирающие элементы 12 в виде кусков стального каната (троса). Для предотвращения быстрого изнашивания и размочаливания тросов их нижние концы подвергаются спайке и упрочнению и охватываются хомутами. Между секциями установлены распорные втулки 13.

Почва, поверхность пня и рыхлители-очистители как составные и связанные между собой части, входящие в разработанную модель, представлены: почва и рыхлители-очистители - в виде элементарных большого количества шарообразных элементов, взаимодействующих между собой и с поверхностью пня, которая задается совокупностью элементарных поверхностей треугольной формы, ограничивающих проникновение почвы в объем моделируемого пня. При моделировании рыхлителей-очистителей учитывались не только силы притяжения и отталкивания, действующие между частицами почвы, но и изгибающие силы в гибких элементах.

Обобщенная форма движения элементов почвы и тросов записана системой

Е5а

ш_а

л

УМ

а - кинематическая схема машины в навеске трактором МТЗ-80/82; б - схема рабочего органа Рисунок 1 — Площадкоделатель вокруг пней

уравнений, составленной на основе второго закона Ньютона:

■¿ = 1...ЛГЭ; | = "х", "у",

, 2 ;

+

,(1)

где I - номер элемента почвы или тросов; N3 - количество элементов; с, — обобщенная декартова координата элемента; х,у,г - декартовы координаты элемента; /и, - масса элемента; I - время;у - номер элемента, возможно контактирующего с /-м элементом; с у и ку - коэффициенты жесткости и вязкости взаимодействия элементов / и у между собой (используются три набора коэффициентов для взаимодействия "почва-почва", "почва-трос", "трос-трос"); б/, - диаметр /-го элемента; 4 -диаметр у'-го элемента; г,у - расстояние между центрами элементов / и у"; - обобщенная декартова координата г'-го элемента; д - обобщенная декартова координата у'-го элемента; - декартова составляющая скорости /'-го элемента; - декартова составляющая скорости у'-го элемента; а0 - коэффициент ограничения взаимодействия между элементами (выбирается из диапазона 1,0...1,1 и воспроизводит в модели "липкость" почвы); Ып - количество поверхностей разных типов (элементарные поверхности пня, а также нижняя, верхняя и боковые поверхности-границы объема моделирования); с-,.щ и к^щ - коэффициенты жесткости и вязкости взаимодействия элемента /' с поверхностью у; г^щ - расстояние от центра /'-го элемента до у'-й поверхности; - декартова координата точки-проекции центра элемента /' на поверхность у; си и ки - коэффициенты жесткости и вязкости изгиб-ного взаимодействия; £_/, ¡¡и - обобщенные декартовы координаты элементов, соседних с /'-м элементом; у,*,-./, — декартовы составляющие скоростей элементов, соседних с /'-м элементом; g - ускорение свободного падения.

В целом, площадкоделатель описывается системой дифференциальных и алгебраических уравнений (2).

Для наглядности исследования модели создана компьютерная программа «Программа для моделирования процесса очистки пня площадкоделателем», защищенная свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014662043. Процесс создания площадки-углубления вокруг пня и характер очистки от загрязнений его боковой поверхности представлен на рисунке 2.

rxf+1 = + Ki + vT = < + ah ■ At;

• УГ = У1 + • At + a^ ■ ; v^1 = v^ + a-J, ■ At; (2)

. 1 = A + ■ At + aTzi ■ vlt1 = ^ + a^i • At,

где (- номер элемента; т и т+1 га; Л/ - шаг интегрирования по времени; ах„ корения г'-го элемента.

индексы текущего и следующего временного ша-- декартовы составляющие ус-

Влияние конструктивных и технологических параметров пло-щадкоделателя, а также параметров пня и почвы (входных параметров) на показатели эффективности его работы (выходные критерии) представлено с помощью схемы (рисунок 3).

Входные параметры включают в себя четыре группы факторов, влияющих на технологический процесс площадкоделателя: «Параметры площадко делателя», «Кинематиче -ские параметры», «Параметры почвы», «Параметры пня».

«Параметры площадкоделателя» (рисунок 4): Ьт - длина тросов; ВР - расстояние между осями роторов; Nc - количество секций в роторе; NT — количество тросов в секции; Вс — расстояние между секциями роторов; с„ - жесткость троса на изгиб.

«Кинематические параметры»: пр - частота вращения роторов; прт — частота вращения ротатора; ар - угол наклона к вертикальной плоскости; Рр - угол наклона к горизонтальной плоскости.

«Параметры почвы»: сп — коэффициент упругости; d[j - внутреннее трение; ксв - коэффициент связности.

«Параметры пня» (рисунок 5): S]7 - сбег пня, см/м; DB - диаметр вершины пня; Ъпн~ высота пня; кпл - глубина площадки-углубления.

Выходные параметры («Показатели эффективности технологического процесса площадкоделателя») являются искомыми в процессе моделирования и включают в себя: Р - полноту очистки (процент очищенной поверхности пня);

Рисунок 2 - Интерфейсная форма вывода результатов моделирования в разработанной программе

Показатели

Параметры площадкоделателя

Кинематические параметры

.Л.

эффективности тех нологичес кого

процесса площадкоделателя

Процесс работы площадкоделателя

/V /

Сп dn Ксе

V-

Параметры почвы Параметры пня

Рисунок 3 - Постановка задачи на теоретическое исследование

^о - среднее усилие очистки; Ыо6щ - потребляемую мощность, расходуемую на формирование площадки-углубления вокруг пня и его очистку от почвы.

Задача оптимизации заключалась в поиске таких значений параметров прт и пр, при которых полнота очистки Р и сила очистки Р0 были бы как можно большими, а потребляемая площадкоделателем мощность N - как можно меньшей. Данная задача оптимизации аналитически была записана в виде системы уравнений (3). ВР. I й3

М-

Лд?

Рисунок 4 - Геометрические характеристики Рисунок 5 - Геометрические параметры пня площадкоделателя с гибкими рабочими орга-

Для решения задачи оптимизации и выявления

(Р(прт, 7ip)—>тах; взаимосвязи между параметрами и критериями было

/• л ... проведено 16 компьютерных экспериментов по под-

п„т,nn ->max; (J) ~

uv р ру готовке площадки-углубления и очистке пня.

mm. Для того чтобы выявить аналитические зако-

номерности, выполнена аппроксимация функций Р{прт, пр), Fo(npm, пр), No6ut(npm, пр) полиномами второго порядка по полученной совокупности данных компьютерных экспериментов. Результатом аппроксимации стали следующие аналитические выражения:

2 п то .. 2

Р(прт, Пр) = - 0,088 прт 1 - 0,018 Пр2 + 0,134 прт ■ пр - 0,669 прт + 0,104 пр + 0,906; Прт, Ир) = 8,125 прт2

Foinpm, пр) = Ъ,\25прт2+\Л\%пр2-4,\61прт-Пр+\ 9,296 прт - 9,918 пр + 41,899; (4) Ыобщ(прт, пр) = - 0,750 прт2 + 0,083 пр2 - 0,496 прт ■ пр + 5,118 прт - 0,901 пр + 3,861,

где прт и пр- частоты вращения ротатора и роторов, с"1; Р - полнота очистки, %; ^ - среднее усилие очистки, Н; И0бщ - потребляемая мощность, кВт.

Для удобства восприятия полученных закономерностей Р(прт, пр), Р0(прт, Nобщ {Кртч пр) они были изображены графически с помощью поверхностей отклика, каждая из которых впоследствии была представлена с помощью линий уровня (рисунок 6).

При наложении друг на друга благоприятных областей для трех критериев (рисунок 6, а, б, в) определена общая оптимальная область (рисунок 6, г). Анализ положения данной области показывает, что наиболее оптимальное сочетание кинематических параметров достигается при прт = 0,2...0,3 с"1 и пр = 3.. .3,5 с" . При этом площадкоделатель очищает не менее 95 % боковой поверхности пня, потребляет не более 3 кВт мощности, а тросы оказывают усилие на боковую поверхность, в среднем, не менее 25 Н.

а - оптимальная область для Р(прт, пр); б - оптимальная область для ^о(прт, пр)\ в - оптимальная область для Л^бш(прт, пр)\ г - общая оптимальная область (выделена черным цветом) Рисунок б - Оптимальные области факторного пространства

б

0,3 0.4

»,), кВт

г

На основе полученной совокупности данных была построена номограмма, графически связывающая параметры площадкоделателя прт, пр, си и диаметр троса dm с показателями его эффективности Р, F0, No6uf (рисунок 7). Взаимосвязь семи переменных на номограмме построена с помощью линий уровня No6ut(F0, сц), P(Fo, с„), npm(F0, пр), No6uf(F0, Пр), а также функции cu(dm) в четвертом квадранте.

Графики функций объединены общими осями F0 и с„.

Для примера зададим требование, что площадкоделатель должен обеспечивать среднюю силу очистки боковой поверхности пня 40 Н (точка А, рисунок 7), мощность 4 кВт (точка В) и частоту вращения ротатора 1 с"' (точка D). При этом полнота очистки составляет более 95 % (положение точки В относительно пунктирных линий).

Тогда при помощи проекций точек В и D на оси с„ и пр соответственно получаем значения изгибной жесткости троса около 80 Н/м2 (точка С) и частоты вращения роторов 7,8 с"1 (точка Е).

Одновременно с этим по определенному коэффициенту жесткости на изгиб может быть определен диаметр троса выбранного типа. Для этого необходимо найти пересечение горизонтали е„ = const с зависимостью cu(dm) (точка G) и ее де-картову проекцию на ось dm (точка Я). Для рассматриваемого примера и стального каната ГОСТ 2688-80 диаметр dm должен составлять 15,8 мм.

В третьей главе описаны оборудование, задействованное в экспериментальных исследованиях, методика проведения лабораторных испытаний и программа экспериментальных исследований.

Исследование динамических процессов очистки окрашенных пней проводилось на специально разработанной установке, в которой пень в виде нижней части

c„,H»i

Рисунок 7 - Номограмма для определения параметров площадкоделателя с гибкими рабочими органами

ствола дерева крепился в захвате, вращающемся вокруг вертикальной оси, что позволило имитировать рабочий процесс ротатора. Рабочий орган с гибкими элементами получал вращение от гидростанции через гидромотор и клиноременную передачу, а частота вращения крепления с пнем регулировалась при помощи частотного преобразователя.

Для измерения ударной нагрузки при контакте троса с пнем было использовано устройство, разработанное кафедрой механизации лесного хозяйства и проектирования машин ВГЛТА, состоящее из балки равного сопротивления с установленным на ней тензодатчиком. От тензодатчика нагрузки сигналы через ртутный токосъемник подавались на модули аналогового ввода-вывода и далее, через преобразователь интерфейса на ЭВМ.

Полнота очистки поверхности пня в лабораторных условиях определялась путем нанесения на нее краски, после высыхания которой включалась опытная установка, и производилось сдирание гибкими элементами рабочего органа при одновременном вращении пня. Затем определялась площадь участков пня, не контактировавших с тросами, и сравнивалась с общей площадью его поверхности.

В четвертой главе представлены результаты лабораторных экспериментальных испытаний по очистке окрашенных пней, определены оптимальные конструктивные и кинематические параметры технологического процесса по очистке пней, выполняемого гибкими рабочими органами площадкоделателя.

В ходе эксперимента было установлено, что частота вращения вала пв должна быть равна 3...5 с'1, частота вращения ротатора (на основе вращения крепления с пнем) - 0,2 с"1. В этом случае полнота очистки составляет 93...95 %, а потребляемая мощность - около 5 кВт. Тросы площадкоделателя должны быть выполнены по ГОСТ 7668-80 или ГОСТ 2688-80. Наиболее оптимальные конструктивные параметры тросов: длина рабочей части Lm = 20 см и диаметр dm = 15 мм. В данных условиях полнота очистки боковой поверхности пня составляет 93 %, а потребляемая мощность - 4,7 кВт.

Сравнение результатов теоретического и экспериментального исследований частоты вращения вала (роторов) и частоты вращения крепления с пнем (ротатора) показало высокую их сходимость. Различия между теоретическими и экспериментальными данными незначительны и составляют: по влиянию на полноту очистки боковой поверхности пня частоты вращения роторов и частоты вращения ротатора (пня) не более 3 и 4% соответственно, а на потребляемую мощность - до 9 и 8%.

В пятой главе представлено технико-экономическое обоснование применения разработанной конструкции площадкоделателя с гибкими рабочими органами для формирования площадок-углублений вокруг пней.

В качестве аналога технологического процесса, осуществляемого разработанным площадкоделателем, можно рассматривать очистку пня от почвы вручную или при помощи ковша, например, экскаватора ЭО-2621 В-2.

Ручной способ, в отличие от машинных методов, характеризуется значительными затратами труда и времени. Удаление почвы вокруг пней ковшом экскаватора также малопроизводительно и, как показали наблюдения, невозможно добиться необходимой степени очистки поверхности пней от почвы, величина которой должна быть не менее 90 %.

Оценка качества очистки пней от почвы проводилась экспериментальным путем. Сначала определялся объем почвы, удаленной вокруг пня, который переводился в массу. Затем оставшаяся почва соскабливалась с поверхности пня до его полной очистки, и производилось ее взвешивание. Это позволяло дать объективную оценку степени очистки пня от почвы.

По итогам исследований было установлено, что производительность рабочего органа площадкоделателя по сравнению с рабочим органом экскаватора выше на 30,3 %, а степень очистки пня при его применении - на 87 %. Глубина площадки-углубления составила, в среднем, 17±1,3 см, диаметр - в пределах 1,2... 1,8 м, качество очистки - 90,7 %. Степень очистки пня от почвы и общий вид площадки-углубления вокруг пня представлены на рисунке 8.

Проведенные полевые испытания экспериментального образца площадкоделателя с гибкими рабочими органами подтвердили теоретические исследования: расхождение теоретических и экспериментальных данных для пня диаметром 40 см (аналогично компьютерному эксперименту) по времени очистки составляет 6 % (8 с при полевых испытаниях (при очистке пня с одной стороны) и 7,5 с при теоретических исследованиях), а по качеству очистки (соответственно 90 % и 96 %) - 7 %.

Таким образом, проведенные полевые экспериментальные исследования подтвердили эффективность использования конструкции площадкоделателя для формирования площадок-углублений вокруг пней на вырубках и гарях.

Очистка пней от почвы более чем на 90 % и удаление ее в стороны с образованием площадки-углубления диаметром до 1,5 м позволяют повысить эффективность применения измельчающих древесину пней рабочих органов активного действия, улучшить условия работы плугов, лесопосадочных машин, культиваторов и других лесохозяйственных машин, снизить абразивность почвенно-грунтовой среды и увеличить срок службы режущих и скалывающих элементов.

Эффективность еще больше возрастет, если образование площадки-углубления, очистку пней от почвы и их дробление производить одним агрегатом, включающим в себя два рабочих органа, и выполнить их как единый, неразрывный во времени технологический процесс.

Годовой экономический эффект, полученный при внедрении экспериментального образца площадкоделателя вокруг пней в производство, составил 483840 рублей при сроке окупаемости 0,1 года.

ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ВЫВОДЫ

1. Большинство конструкций машин с рабочими органами активного действия, из-за интенсивного абразивного износа их режущих элементов, понижают пни до 0...5 см над поверхностью почвы, что недостаточно, поскольку оставшая-

13

Рисунок 8 - Общий вид площадки-углубления вокруг пня

ся подземная часть продолжает оставаться существенным препятствием для повышения качества последующих технологических операций и производительности почвообрабатывающих и посадочных агрегатов. Целесообразно пни предварительно очищать от почвы с образованием вокруг них площадок-углублений при помощи новой конструкции площадкоделателя (патент № 2496294).

2. Обоснованы тип и конструкция рабочего органа для подготовки площадок-углублений вокруг пней. Для выполнения данного технологического процесса выбраны гибкие рыхляще-сдирающие элементы в виде кусков троса. Обоснованы параметры площадки-углубления вокруг пней: диаметр - 1,2... 1,8 м, глубина - 15...20 см, степень очистки пня от почвы в пределах глубины площадки - не менее 90 %.

3. Разработана математическая модель технологического процесса площадкоделателя, позволяющая изучить влияние его основных конструктивных и технологических параметров, а также параметров почвы и пня, на скорость создания площадок-углублений вокруг пней, качество их очистки от почвы и на затрачиваемую в процессе работы мощность машины. На основе математического моделирования установлено, что наиболее оптимальными параметрами площадкоделателя вокруг пней являются частота вращения роторов пр = 3...3,5 с"1, частота вращения ротатора прт = 0,2...0,3 с"1, расстояние между роторами Вр = 80 см, расстояние между секциями ротора Вс = 15...20 см, жесткость тросов с„ = 70...80 Н/м2. В этом случае полнота очистки боковой поверхности пня Р составляет 95 %, среднее усилие очистки ^о-не менее 25 Н, а потребляемая мощность И- не более 3 кВт.

4. Построена номограмма, графически связывающая кинематические и конструктивные параметры площадкоделателя вокруг пней (частоту вращения роторов пр, частоту вращения ротатора прт, жесткость тросов си и диаметр тросов ¿/т) с показателями его эффективности (полнотой очистки боковой поверхности пня Р, средним усилием очистки /*о и потребляемой мощностью Щ, которая может быть рекомендована к практическому использованию с целью выбора параметров при проектировании оборудования с гибкими рабочими органами активного действия.

5. В результате лабораторных и полевых испытаний определены оптимальные кинематические параметры технологического процесса (частота вращения роторов пр = 3...5 с'1, частота вращения ротатора прт = 0,2 с"1) и конструктивные параметры тросов (диаметр (¡т = 15 мм, длина рабочей части Ьт = 20 см, тросы должны быть выполнены по ГОСТ 2688-80 или ГОСТ 8668-80). В этом случае полнота очистки боковой поверхности пня составляет Р = 91...93 %, а потребляемая мощность И— 4,7...5 кВт.

6. Годовой экономический эффект, полученный при внедрении экспериментального образца площадкоделателя вокруг пней с гибкими рабочими органами в производство, составляет 483840 рублей. При применении площадкоделателя для подготовки пней к понижению ниже поверхности почвы на вырубках и гарях дополнительные капитальные вложения окупятся в срок 0,1 года.

Основные ноложения диссертационного исследования изложены в следующих работах.

В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Бартенев, И. М. Эффективные способы и технические средства удаления пней [Текст] / И. М. Бартенев, Е. В. Поздняков // Тракторы и сельхозмашины. -

2013.-№9. _с. 13-16.

2. Бартенев, И. М. Изнашивающая способность почв и ее влияние на долговечность рабочих органов почвообрабатывающих машин [Текст] / И. М. Бартенев, Е. В. Поздняков // Лесотехнический журнал. - 2013. - № 3 (11). - С. 114-123.

3. Бартенев, И. М. Эффективные и экологически безопасные технологии удаления пней на вырубках [Текст] / И. М. Бартенев, Е. В. Поздняков // Лесотехнический журнал. - 2013. -№ 4 (12). - С. 146-151.

4. Бартенев, И. М. Площадкоделатель вокруг пней [Текст] / И. М. Бартенев, Е. В. Поздняков // Лесотехнический журнал. - 2014. - № 1 (13). - С. 156-158.

5. Поздняков, Е. В. Конструкции и технологические процессы площадкоде-лателей [Текст] / Е. В. Поздняков, И. В. Попов // Вестник АПК Ставрополья. -

2014.-№3(15).-С. 35-39.

6. Бартенев, И. М. Математическая модель площадкоделателя для формирования площадок вокруг пней [Текст] / И. М. Бартенев, Е. В. Поздняков // Лесотехнический журнал. - 2014. - № 4 (16). - С. 147-156.

7. Бартенев, И. М. Оптимизация параметров технологического процесса площадкоделателя для формирования площадок вокруг пней [Текст] / И. М. Бартенев, Е. В. Поздняков // Лесотехнический журнал. - 2014. - № 4 (16). - С. 156166.

Патенты РФ

8. Пат. № 2496294 РФ, МПК А01 С 11/00, А01 С 5/00, А01 в 23/00. Площадкоделатель [Текст] / И. М. Бартенев, Е. В. Поздняков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». - № 2012144913/13; заявл. 22.10.12; опубл.

27.10.13, Бюл. №30-5 с.

9. Свидет. о государ, регистр, программы для ЭВМ № 2014662043 РФ. Программа для моделирования процесса очистки пня площадкоделателем / И. М. Бартенев, Е. В. Поздняков, В. В. Посметьев. № 2014619728; заявл. 29.09.14; опубл.

21.11.14.

10. Свидет. о государ, регистр, программы для ЭВМ № 2014662044 РФ. Программа для моделирования перекрытия очищенных площадок вокруг пней на вырубках / И. М. Бартенев, Е. В. Поздняков, В. В. Посметьев. № 2014619729; заявл. 29.09.14; опубл. 21.11.14.

Статьи и материалы конференций

11. Поздняков, Е. В. Методы освоения вырубок, технологии и машины для удаления пней на вырубках [Текст] : депонир. рукопись / Е. В. Поздняков. - Воронеж : ФГБОУ ВПО «ВГЛТА», 2013. - 72 с. - Деп. в ВИНИТИ 02.12.2013, № 340-В2013.

12. Поздняков, Е. В. Способы и современные средства механизации для удаления пней [Текст] / Е. В. Поздняков, Д. Ю. Дручинин // Молодой ученый. -2013.-№ 11.-С. 173-176.

13. Поздняков, Е. В. Машины для удаления пней и древесно-кустарниковой

15

растительности на вырубках [Текст] / Е. В. Поздняков, С. В. Малюков // Молодой ученый. -2013. -№ 12. -С. 161-164.

14. Поздняков, Е. В. Рабочие органы для измельчения пней [Текст] / Е. В. Поздняков // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2014. - № 9. - С. 30-33.

15. Поздняков, Е. В. Машины для измельчения пней и технология повышения эффективности их использования [Текст] / Е. В. Поздняков // Севергеоэкотех-2014 : материалы XV Международной молодежной научной конференции (г. Ухта, 26-28 марта 2014 г.). - Ухта : УГТУ, 2014. - Ч. 5. - С. 134-137.

16. Поздняков, Е. В. Повышение качества лесовосстановительных операций [Текст] / Е. В. Поздняков // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика : сб. науч. тр. по матер, междунар. заочной науч.-практич. конфер. - Воронеж, 2014. -№ 3, ч. 2 (8-2). - С. 159-163.

17. Поздняков, Е. В. Рабочие органы площадкоделателей [Текст] / Е. В. Поздняков // Технические науки: теория и практика : материалы 2 Международной научной конференции (г. Чита, январь 2014 г.). - Чита, 2014. - С. 61-64.

18. Поздняков, Е. В. Эколого- и ресурсосберегающие технологии лесовос-становления на вырубках при удалении пней и древесно-кустарниковой растительности [Текст] / Е. В. Поздняков // Научное обозрение физико-математических и технических наук в XXI веке : материалы VII Международной научно-практической конференции (г. Москва, 29 июля 2014 г.). - М. : «Prospero», 2014. -С. 126-130.

Просим Ваши отзывы на автореферат с заверенными подписями высылать в двух экземплярах по адресу 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ВГЛТА, ученому секретарю

Поздняков Евгений Владиславович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМА РАБОТЫ ПЛОЩАДКОДЕЛАТЕЛЯ ВОКРУГ ПНЕЙ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 13.05.2015 г. Формат 60х90 1/16. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 173 Отпечатано в УОП ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» 394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10