автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование параметров комбинированного сошника лесопосадочной машины

На правах рукописи

005534396

Шавков Михаил Викторович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОГО СОШНИКА ЛЕСОПОСАДОЧНОЙ МАШИНЫ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о ОКТ 2013

Воронеж - 2013

005534396

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бартенев Иван Михайлович

Официальные оппоненты: Сушков Сергей Иванович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой промышленного транспорта, строительства и геодезии ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Казаров Ким Рубенович доктор технических наук, профессор кафедры сельскохозяйственных машин ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»

Ведущая организация:

ФБУ ВНИИЛМ «Всероссийский научно-исследовательский институт ле-соводств и механизации лесного хозяйства»

Защита диссертации состоится «25» октября 2013 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.034.02 при ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» (394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, аудитория 146).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии (ФГБОУ ВПО «ВГЛТА»).

Автореферат разослан «24» сентября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.т.н., профессор

А.Д. Платонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Лесовосстановление и лесоразведение проводится в сжатые, лучшие агротехнические сроки - до начала вегетации растений весной или поздней осенью. Данный период составляет три - четыре недели в году. Учитывая масштабы нашей страны, интенсивную эксплуатацию лесных ресурсов и происходящие лесные пожары, возникает необходимость ежегодно производить лесовосстановительные мероприятия на огромных территориях. Осуществление требуемых больших объемов лесопосадочных работ в обозначенные краткие сроки возможно только с помощью средств механизации.

В настоящее время существует большое количество лесопосадочных машин разного назначения, конструкция каждой из которых, зависит от конкретных задач и условий эксплуатации. Но, несмотря на все различия, они обладают общим технологическим процессом, состоящим из подготовки посадочного места, подачи в него растения и заделки корней почвой. И, как следствие, имеют одинаковую схему и последовательность выполнения основных операций рабочих органов. В результате чего им свойственны общие недостатки, такие как: образование воздушных пустот (кротовин), осыпание верхнего подсушенного слоя в посадочную борозду, наклон высаженных сеянцев выше допустимых значений, деформация корневой системы и др. Представленные негативные факторы, в первую очередь, связаны с трудностью обеспечения сбалансированной работы основных узлов посадочных машин, взаимосвязанная работа которых зависит как от условий посадки, так и типа и компоновки рабочих органов на раме машины. Также недостатки механизированной посадки заключаются в несовершенстве бороздообра-зующих и посадочных устройств, выполняющих только четко определенные функции подготовки посадочного места и подачи растений. Поэтому необходимо использовать принципиально новые конструктивные решения, которые смогут изменить исторически сложившуюся схему конструкций лесопосадочных машин и функций рабочих органов.

Новой ступенью развития конструкций лесопосадочных машин должно стать создание комбинированных рабочих органов, выполняющих несколько операций одновременно, с возможным осуществлением необходимых регулировок для использования агрегата на различных рельефах и типах почв. Наиболее перспективным решением является использование в конструкциях лесопосадочных машин комбинированного сошника, выполняющего функцию не только образования борозды, но и ее более полной заделки.

Разработка новой конструкции комбинированного сошника требует теоретических и экспериментальных исследований, связанных с оптимизацией параметров конструктивных элементов, обеспечивающих принудительную заделку посадочного места.

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).

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является повышение качества механизированной посадки растений путем обоснования технологического процесса и параметров комбинированного бороздообразующего органа лесопосадочной машины, обеспечивающего принудительную заделку корней растений внутри сошника.

В соответствии с поставленной целью работы были намечены следующие задачи:

^Усовершенствовать технологический процесс механизированной посадки растений путем заделки посадочного места бороздообразующим органом лесопосадочной машины и обоснования новой конструктивно - технологической схемы комбинированного сошника.

2) Разработать математическую модель технологического процесса механизированной посадки лесопосадочной машины, использующей комбинированный сошник с почвозаделывающими окнами.

3) Обосновать основные геометрические параметры комбинированного сошника и режимов технологического процесса механизированной посадки, обеспечивающего принудительную заделку внутри сошника на основе математического моделирования.

4) Проведение лабораторных и полевых исследований комбинированного сошника лесопосадочной машины.

Предмет и объект исследования. Объектом исследования являются комбинированный сошник с почвозаделывающими окнами, технологический процесс заделки посадочного места внутри сошника.

Предметом исследования является математическая модель, методы и алгоритмы определения оптимальных конструктивных и технологических параметров комбинированного сошника лесопосадочной машины.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретические исследования проводились на основе имитационного моделирования и разработанной физико-математической модели технологического процесса механизированной посадки, с использованием метода конечных элементов и классической динамики упругого тела. Решение систем дифференциальных уравнений производилось с помощью численного интегрирования на ЭВМ. Экспериментальные исследования и проверка основных теоретических результатов проводились на опытных образцах в лабораторных и производственных условиях.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Конструктивно — технологическая схема лесопосадочной машины, использующей комбинированный сошник, обладающий функциями образования посадочной борозды и засыпкой корней растений из нижних и средних влажных слоев в период их перемещения внутри сошника.

2. Математическая модель технологического процесса механизированной посадки лесопосадочной машиной, использующей комбинированный сошник с почвозаделывающими окнами, позволяющая проводить, на основе имитационного моделирования, теоретические исследования.

3. Закономерности влияния комбинированного сошника на технологический процесс лесопосадочной машины, позволяющие обосновать параметры комбинированного бороздообразующего органа с почвозаделывающими

окнами и режимов функционирования разработанной лесопосадочной машины.

4. Рекомендации по технологическому процессу механизированной посадки, позволяющие повысить приживаемость лесных культур.

Научная новизна результатов работы.

1. Технологический процесс заделки корней растений и посадочного места, отличающейся принудительной подачей почвы из нижних и средних слоев борозды без нарушения пространственной структуры почвенных горизонтов, за счет новой конструкции лесопосадочной машины, использующей комбинированный сошник, защищенной патентом РФ на изобретение № 2410862.

2. Математическая модель рабочего процесса лесопосадочной машины, отличающаяся учетом технологического процесса заделки борозды комбинированным сошником лесопосадочной машины.

3. Закономерности рабочего процесса лесопосадочной машины, отличающиеся заделкой корней растений и посадочного места внутри комбинированного сошника.

4. Технологические рекомендации, совершенствующие технологию и качество механизированной посадки лесных культур.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость состоит в обосновании новой конструкции лесопосадочной машины и бороздообразующего органа; создании физико-математической модели и программы для ЭВМ, описывающие работу новой конструкции лесопосадочной машины; результатах теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия комбинированного бороздообразующего органа с почвой.

Разработанные рекомендации по усовершенствованию технологии механизированной посадки лесных культур, созданные алгоритмы и программа ЭВМ на основе математического моделирования использованы: в учебно-опытном лесхозе ФГБОУ ВПО «ВГЛТА», в ОАО «Центральное опытно-конструкторское бюро лесохозяйственного машиностроения», в ООО «СТАЛЬ-СИНТЕЗ», в учебном процессе ФГБОУ ВПО Воронежской государственной лесотехнической академии при подготовке бакалавров и магистров лесотехнического профиля.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.21.01 — Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства, пункту 5 Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйствен-ных машин.

Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: заседаниях кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин, научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2010-2013 гг.), XII международной молодежной научной конференции СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2011, всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и мо-

лодых ученых «Инновационные технологии и материалы» (ИТМ - 2011), XIII международной молодежной научной конференции СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2012, международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (г. Кострома, 2012 г.), всероссийском конкурсе проектов студентов и аспирантов в области инновационного ориентированного развития и сетевого взаимодействия в аграрном секторе экономики РФ (г. Брянск, 2012 г.).

Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 15 работах, включая 5 статей в изданиях центральной печати, рекомендованных ВАК федерального агентства по образованию РФ, 1 патент на изобретение и 1 свидетельство регистрации программы для математического моделирования на ЭВМ.

Структура диссертации. Общий объём работы составляет 212 страниц, из них 164 основного текста и 48 страниц приложений. Работа включает 72 иллюстраций, 47 таблиц и 131 наименований использованных источников, в том числе 10 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цели работы, научные положения, выносимые на защиту, представлена новизна научных исследований, их практическая значимость и результаты внедрения.

В первой главе проведен анализ способов посадки и технических средств. Рассмотрены рабочие органы лесопосадочных машин и их влияние на качественные показатели посадки лесных культур. Проанализированы научные исследования взаимодействия бороздообразующих и заделывающих органов посадочных машин с почвой.

Разработке и исследованиям технических средств и технологий механизированной посадки посвящены работы известных ученых: Бартенева К М., Жданова Ю. М., Винокурова В. М., Чернышева В. В., Цыплакова В. В., Зимы И. М., Баранова А. И., Казакова В. И., Казарова К.Р., Давиденко В.Г., Халимана Е. И. и др. Анализ данных работ показывает, что сошники рассматривались только как бо-роздообразующие органы, выполняющие четко определенную функцию подготовки посадочного места. Проводимые ранее научные исследования по изучению процесса взаимодействия бороздообразующих органов лесопосадочных машин с почвой были направлены на минимизацию энергетических затрат и повышение разрыхления деформируемого слоя почвы с целью повышения высоты осыпи, т.е увеличения глубины заделки посадочного места за счет осыпания почвы на дно борозды. Но при этом, не решены вопросы, связанные с попаданием верхнего подсушенного слоя на дно борозды, образованием воздушных пустот, снижения отклонения надземной части растений от вертикали и протаскивания их в направлен™ движения агрегата.

Решения имеющихся вопросов машинной посадки возможно с помо-

щью пересмотра функций рабочих органов. Для этого необходимо разработать комбинированные рабочие органы, выполняющие несколько операций одновременно. Этого можно достичь с помощью изготовления в конструкциях бороздообразующих органов почвозаделывающих элементов, которые обеспечат сошникам дополнительную функцию в виде принудительной заделки посадочного места и соответственно корней растений.

Во второй главе проводятся теоретические исследования, направленные на обоснование параметров комбинированного сошника и режимов функционирования лесопосадочной машины, использующей данный сошник. Для усовершенствования технологического процесса механизированной посадки и повышения приживаемости растений разработана новая конструкция 2 лесопосадочной машины

Р / 9 ^ (рисунок 1,2).

\/ 1 \ /— Лесопосадочная ма-

\ / \ —(-¿1 7 шина включает: попереч-

\ / /— /Ч. 5 ный брус 1 с навеской 2;

0 г! о _( \/ ..1-) ' раму 3, выполненную в

,1, П I \ Я виДе Двух параллельных

грядилей коробчатого сечения, шарнирно присоединенных к поперечному брусу и жестко связанных между собой; сошник 4; посадочный аппарат 5; приводное колесо 6; коническую передачу 7; уплотняющие катки 8; сиденья 9 для сажальщиков; почвозаделывающие окна 10. Принципиальным отличием данной конструкции является использование ременного посадочного аппарата и комбинированного сошника.

Для первоначального выяснения работоспособности предлагаемого комбинированного сошника, оценки его эффективности и определения оптимальных конструктивных и эксплуатационных параметров разработана математическая модель лесопосадочной машины. Моделирование лесопосадочной машины в целом основано на методах классической механики. В рамках разрабатываемой модели сошник и уплотняющие катки представляются в виде совокупности элементарных треугольников (рисунок 3). Почва представлена в модели в виде большого количества шарообразных элементов (рисунок 4).

Рисунок 1 - Схема новой конструкции лесопосадочной машины (патент №2410862)

Рисунок 2 - Общий вид новой конструкции лесопосадочной машины

I

- ..И [^Р

Представление рабочих поверхностей четырехоконного сошника

Разбиение правой половины сошника на треугольники

Рисунок 3 - Схематичное представление рабочих поверхностей четырехоконного сошника в виде совокупности элементарных треугольников Т;

Рисунок 4 - Взаимодействие элементов почвы с элементарным треугольником

Определение контакта шара с плоскостью производится следующим образом:

Уравнение элементарной плоскости Расчет отклонения центра шара от

плоскости

х- -хп у- -У г 1 г "2,1

ХЦ -ха У ¡2 ~Уп 2 и

-хп Уп -Уа 2УЗ ~2п

= 0.

Ген = 4>*1 + ВиУ] + ск2; +А, =

Нахождение проекции центра шара на плоскость треугольника

Ах+Ву + Сг + И =0 А В

VАг+В2+С2

■а

-В' + С1

•^п — *} Лн - , Уп = У] -Вн • Г.н> гп =г, - С ■ г;

. = 0, ВДВД = £(ДР2у0) + Б(АТпРТ12)

I 4 -1--1 — V», ¿1 ¿2

777¥7^ 777¥7ё

где гвн - отклонение центра шара уу от плоскости; АН,ВН,С„ -координаты нормального вектора; Т;Ь Тц, Тв - вершины треугольника фрезы; Р(*п, Уп, гп) - проекция смещения; АРТПТП, АТпРТа и АТаТпР- площади треугольников; (х{, у,, г,) - координаты центра элемента.

Сеянцы в разработанной модели представлены в виде одинаковых тонких стержней (рисунок 5). Для того чтобы корректно представить в модели корневую систему сеянца, нижняя часть сеянца считается не стержнем, а ци-

линдром с некоторым радиусом, равным среднему радиусу корневой системы.

h

а - реальный сеянец; б - модель Рисунок 5 - Представление сеянца в модели

Таким образом, математическая модель представляет собой систему алгебраических и дифференциальных уравнений, для решения которых составлена компьютерная программа, позволяющая моделировать процесс механизированной посадки и проводить имитационные эксперименты.

На первом этапе теоретических исследований изучалось влияние отдельных параметров комбинированного сошника на технологический процесс посадки. Оптимизационная постановка задачи на исследование представлена на рисунке 6.

Пари-гетры

Режпшы работы ■лпсткясешл síteos

IS i

l -h-ho-о,— /„-

acTc

ш

hh Rih

un

Имитационная

модель лесопосадочной машины

а 1 А

0 1 Ё

Р'Рч I 1 §

Г J 1

/// ÍÍÍÍW

h 1&>Пс

Параметры сглнцеЕ

Nuidu,dílmmckj ' Y '

Парамоны почвы

Для каждой серии экспериментов с использование ЭВМ получены качественные показатели работы лесопосадочной машины (рисунок 7). Произведен тщательный анализ влияния каждого из параметров комбинированного сошника и сформулированы выводы и рекомендации.

Рисунок 6 - Оптимизационная постановка задачи на исследование

Ш 20 30 40

10 20 30 40

10 20 30

10 20 30 40

Рисунок 7 - Влияние угла отклонения захвата почвы а на показатели качества и тяговое сопротивление для лесопосадочной машины с двухоконным комбинированным сошником

с наклонными окнами

На втором этапе теоретического исследования решена двухфакгорная задача оптимизации, что позволило изучить влияние одновременно двух параметров: вылета и угла захвата комбинированного сошника

Основной задачей оптимизации является определение оптимальных параметров захватов почвы: угла захвата почвы к направлению движения а и вылета захвата почвы 1в. При оптимизации необходимо найти такой набор параметров (Р,-, при которых будут оптимальными следующие критерии:

- линейная погрешность посадки «(Т7,) должна быть как можно меньше;

- угловая погрешность посадки ^(Т7,) должна быть как можно меньше;

- плотность почвы у корней р/ро(Р\) должна быть как можно больше;

- тяговое сопротивление Р-А^д должно быть как можно меньше.

1Д

10 20 30 40 а, град. Пересечение областей Рисунок 8 - Поверхности отклика к оптимизации параметров захватов комбинированного сошника и благоприятные области факторного пространства на поверхностях отклика

На основе многофакторной оптимизации сформулированы рекомендации по размещению захватов комбинированного сошника. Оптимальные параметры составляют а = 28 ... 42°, 1е = 2,6...4,4 см.

В третьей главе изложена программа экспериментальных исследований, представлены применяемое оборудование и методика проведения исследований.

Рисунок 9 - Экспериментальный образец Рисунок 10 - Общий вид лабораторной комбинированного сошника установки

Для проведения экспериментальных исследований был разработан натуральный образец комбинированного сошника анкерного типа (рисунок 9).

В стенках сошника изготовлены окна 1 с захватами 2 (почвозаделывающие окна) для обеспечения постепенной заделки корней растений внутри сошника. Регулирование подачи почвы внутрь сошника обеспечивается с помощью изменения площади окна посредством перемещения пластины 3 и замены захватов, имеющих различный вылет и угол установки.

Исследования работы экспериментального образца комбинированного сошника производились с помощью лабораторной установки, разработанной сотрудниками Воронежской государственной лесотехнической академии (рисунок 10), основными частями которой являются: тяговое оборудование 1, тензометрическая навеска 2 и почвенный канал 3.

Полевые исследования проводились в Левобережном лесничестве учебно-опытного лесхоза ВГЛТА. Для проведения исследований использовалась лесопосадочная машина СЛН-2, на брусе которой вместо стандартной секции устанавливалась разработанная лесопосадочная машина, использующая эксперименталь-

_ ., „ „ , ный образец комбиниро-

Рисунок 11 - Экспериментальный образец . г

ванного сошника (рисунок лесопосадочной машины ^ ]

11). Данная лесопосадочная машина агрегатировалась с трактором ЛТЗ-60. В качестве посадочного материала использовались двух-трех летние сеянцы хвойных и лиственных пород. Контроль качества лесных культур осуществляется на всех этапах их создания и выращивания до момента перевода в покрытую лесом площадь путем оценки качества выполняемых работ по посадке растений и дальнейшего развития.

В четвертой главе приведены результаты лабораторных исследований макетных и экспериментального образца комбинированного сошника лесопосадочной машины. Первоначально лабораторные исследования проводились на макетных образцах комбинированных сошников, в результате которых было подтверждено, что у комбинированного сошника должна быть наклонная форма почвозаделывающих окон. Лабораторные исследования экспериментального образца разрабатываемого сошника были посвящены определению параметров почвозаделывающих окон (рисунок 12).

В результате было определено, что оптимальными параметрами почвозаделывающих окон является угол установки захвата 30° с вылетом захвата 3 см. При этом оптимальное значение длины окон для песчаной почвы составляет 8 см, а для серой лесной 12 см.

Р 15

и о £

г У

1 у"

10

11

12

13

14

15

длина окна, см

Ряд 1 - 1 см; Ряд 2 - 2 см; Ряд 3 - 3 см; Ряд 4 - 4 см; Ряд 5 - 5 см Рисунок 12 - Зависимости высоты заполнения посадочного места внутри экспериментального сошника от длины окон при угле установки захвата 30° и при разной величине вылета захвата

см

Ряд 1 - экспериментальные исследования; Ряд 2 - теоретические исследования Рисунок 13 - Профиль борозды комбинированного сошника при оптимальных параметрах

почвозаделывающих окон

При сравнении профилей борозды комбинированного сошника (рисунок 13), полученных в результате теоретических и экспериментальных исследований видно, что они хорошо согласуются и максимальное расхождение значений не превышает 9 % абсолютной величины.

В пятой главе представлено технико-экономическое обоснование использования комбинированного сошника в конструкции лесопосадочной машины, а именно результаты производственных испытаний и расчет экономической эффективности.

Исследуемые лесопосадочные машины осуществляли посадку сеянцев сосны и березы на открытых площадях в предварительно подготовленную почву. Глубина посадки составляла 30 см при скорости движения агрегата 0,5...2,5 м/с. Для сравнения результатов математического моделирования в полевых условиях были проведены исследования по определению влияния скоростного режима экспериментального образца лесопосадочной машины на качественные показатели посадки (рисунок 14).

а б

Рисунок 14 - Влияние скорости движения V на линейную а) и угловую погрешность посадки б) экспериментальной лесопосадочной машины: сплошная кривая - результаты теоретических исследований; штриховая кривая - результаты производственных испытаний

Производственные испытания опытного образца лесопосадочной машины подтвердили теоретические исследования, о чем свидетельствуют полученные данные, где расхождение теоретических и экспериментальных данных по линейной точности а составляет не более 7 %, а по угловой погрешности <р не более 9%. Качество работы исследуемых лесопосадочных машин определялось приживаемостью посаженых культур (таблицы 1 и 2). Таблица 1 — Показатели качества работы серийного образца лесопосадочной машины

№ участка Площадь, га Число высаженных растений, шт. Число сохранившихся сеянцев, шт. Число погибших сеянцев, шт. Приживаемость, %

1 0,5 2238 1708 530 76,3

2 0,5 2244 1665 579 74,2

3 0,5 2241 1661 580 74,1

4 0,5 2251 1697 554 75,4

Итого 2 8974 6731 2243 75

Таблица 2 - Показатели качества работы экспериментального образца лесопосадочной машины

№ участка Площадь, га Число высаженных растений, шт. Число сохранившихся сеянцев, шт. Число погибших сеянцев, шт. Приживаемость, %

1 0,5 2259 2182 77 96,6

2 0,5 2230 2112 118 94,7

3 0,5 2249 2168 81 96,4

4 0,5 2229 2147 82 96,3

Итого 2 8967 8609 358 96

Приживаемость растений при посадке с применением серийного образца лесопосадочной машины составила 75 %, а при использовании экспериментального образца лесопосадочной машины - 96 %. Раскопки посаженных растений показали, что экспериментальный образец лесопосадочной машины обеспечивает плотную заделку корней растений без образования воздушных пустот. Наклон надземной части растений не превышает допустимого значения, в то время как при посадке серийной лесопосадочной машиной у более чем 40% высаженных растений угол наклона превышает 30°.

Проведенные производственные испытания подтвердили эффективность использования экспериментального образца комбинированного сошника в конструкциях лесопосадочных машин.

Годовой экономический эффект при внедрении разработанного комбинированного сошника составляет 54432 рублей, при сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений 0,2 года.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Существующие конструкции лесопосадочных машин не в полной мере обеспечивают требуемое качество посадки растений. Причина данных недостатков заключается в несовершенстве, как самой технологии механизированной посадки, так и используемых рабочих органов посадочных машин. Для повышения качества механизированной посадки разработана новая конструкция лесопосадочной машины, отличительной чертой которой является использование комбинированного сошника с почвозаделывающими окнами, позволяющими сошнику производить принудительную заделку корней растения влажной почвой без перемешивания почвенных слоев.

2. Разработана физико-математическая модель описывающая процесс механизированной посадки растений, на основе которой составлена компьютерная программа, позволяющая провести теоретические исследования по изучению функционирования новой конструкции лесопосадочной машины и определить оптимальные параметры комбинированного сошника с почвозаделывающими окнами.

3. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований было определено, что почвозаделывающие окна в стенках сошника должны иметь наклонную форму со смещением верхнего края назад. А оптимальными параметрами почвозаделывающих окон является угол установки захвата к направлению движения 30° с вылетом захвата 3 см. При этом оптимальное значение длины окна для песчаной почвы составляет 8 см, а для серой лесной 12 см.

4. Разработанная конструкция комбинированного сошника обеспечивает принудительную заделку корней растений внутри сошника на 80% глубины посадочного места влажной почвой из нижних и средних слоев, тем самым, исключая попадания верхнего подсушенного слоя на дно борозды. В результате заделки корней растений почвой большей частью внутри сошника, при удержании растений в фиксированном вертикальном положении, например, ленточным посадочным аппаратом или при подаче вручную, происходят изменения в рабочем процессе почвозаделывающих катков, исключая подачу ими почвы для засыпки посадочной борозды, а оставляя им в основном уплотнение, что приводит к уменьшению угла наклона растений. Угол наклона растений находится в пределах 9-15°, что в несколько раз меньше по сравнению с сошником обычной конструкции.

5. Комбинированный сошник более энергоемкий по сравнению с серийным образцом. Однако, данные затраты энергии в отношении всего агрегата компенсируются за счет уменьшения объема гребней борозды, которые необходимо сместить уплотняющими катками для полной заделки борозды,

что приводит к снижению тягового сопротивления заделывающих рабочих органов.

6. Годовой экономический эффект, полученный в результате внедрения в производство экспериментального образца лесопосадочной машины, использующей комбинированный сошник с почвозаделывающими окнами, составляет 54432 рублей. При использовании данной лесопосадочной машины при промышленном лесоразведении и лесовосстановлении срок окупаемости дополнительных капитальных вложений составит 0,2 года.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1. Бартенев, И. М. Математическая модель функционирования сошника лесопосадочной машины [Текст] / И. М. Бартенев, М. В. Шавков, В. В. По-смстьев // Вест. КрасГАУ. - 2011. - Вып. 4. - с. 122-128.

2. Бартенев, И. М. Новая конструкция лесопосадочной машины [Текст] / И. М. Бартенев, М. В. Шавков // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. - № 6. - с. 22-24.

3. Шавков, М. В. Сравнительные испытания эффективности работы двухоконного и четырехоконного комбинированного сошника лесопосадочной машины на основе имитационного моделирования [Текст] / М. В. Шавков // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2012. -№4(26).-с. 84-87.

4. Бартенев, И. М. Оптимизация параметров комбинированного сошника лесопосадочной машины на основе физико-математического моделирования [Текст] / И. М. Бартенев, М. В. Шавков // Тракторы и сельхозмашины. -2013.-№2.-с. 30-33.

5. Шавков, М. В. Моделирование рабочих органов лесопосадочной машины (электронный ресурс) / М. В. Шавков // Политсматический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2013. - №89 (05). - 11 с. Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/05/pdf/02.pdf

Патенты и свидетельства

6. Пат. 2410862, МПК А01С11/02. Лесопосадочная машина [Текст] / И. М. Бартенев, М. Л. Шабанов, М. В. Шавков; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ВГЛТА». - № 2009123168/21; заявл. 17.06.2009; опубл. 10.02.2011, Бюл. №4. -7 с.

7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010615944.Программа для моделирования лесопосадочной машины [Текст] / Бартенев И. М., Шавков М. В., Посметьев В. В., Шабанов М. Л.; правообладатель ГОУ ВПО «ВГЛТА». - №2010614275; заявл. 14.07.2010; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 10.09.2010.

Статьи и материалы конференции

8. Бартенев, И. М. Повышение технического уровня лесопосадочных машин [Текст] / И. М. Бартенев, М. Л. Шабанов, М. В. Шавков // Научный

вестник Воронежской государственной лесотехнической академии - Воронеж, 2009. - Вып. 2 (7). - с. 174-176.

9. Шавков, М. В. Характеристика работы применяемых лесопосадочных машин и возможные пути их усовершенствования [Текст] / М. В. Шавков // Севергеоэкотсх-2011: материалы 12 Международной молодежной конференции. - Ухта: УГТУ, 2011. - Ч. 5. - с. 99-102.

10. Шавков, М. В. Новая конструкция лесопосадочной машины [Текст] / М. В. Шавков // Талантливая молодежь Воронежской области: материалы научно-исследовательских и творческих работ молодежи. - Воронеж, 2011. -с. 194-196.

11. Шавков, М. В. Tree planter design improvement [Текст] / M. В. Шавков, Н. И. Базарская // Лесотехнический журнал. - Воронеж, 2011. - № 3. - с. 175-178.

12. Бартенев, И. М. Компоновочные схемы и параметры лесопосадочных машин [Текст] / И. М. Бартенев, П. И. Титов, М. В. Шавков // Лесное хозяйство. - 2012. - № 3. - с. 45-47.

13. Шавков, М. В. Лесопосадочная машина [Электронный ресурс] / М. В. Шавков // Инновационные технологии и материалы (ИТМ-2011) : сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / ; ФГБОУ ВПО «Воронеж, гос. техн. ун-т». -Воронеж, 2011.-е. 98-100.

14. Шавков, М. В. Моделирование процесса взаимодействия комбинированного сошника лесопосадочной машины с почвой [Текст] / М. В. Шавков // Севергеоэкотех-2012: материалы 13 Международной молодежной конференции. - Ухта: УГТУ, 2012. - Ч. 2. - с. 107-111.

15. Шавков, М. В. Использование комбинированного сошника в конструкциях лесопосадочных машин [Электронный ресурс] / М. В. Шавков // Актуальные проблемы и перспективы лесопромышленного комплекса: материалы Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедры механической технологии древесины ФГБОУ ВПО КГТУ - Кострома: КГТУ, 2012. - с. 179-181. - Режим доступа: http://www.kstu.edu.ru/misc/conference/20materials.pdf.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.034.02 или выслать ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, Воронежская государственная лесотехническая академия, ученому секретарю.

Тел. 8-(473)2-536-700 Шавков Михаил Викторович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОГО СОШНИКА ЛЕСОПОСАДОЧНОЙ МАШИНЫ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 20.09.2013 г. Формат 60^90 1/16. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 348 Отпечатано в УОП ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» 394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10

«

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

О/. ОЛ1 -з/.-гL -гп •г*, и I JUJTJU

Шавков Михаил Викторович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОГО СОШНИКА

ЛЕСОПОСАДОЧНОЙ МАШИНЫ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.21.01 Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Научный руководитель доктор технических наук, профессор - Бартенев И.М.

Воронеж 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................... 5

1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследований........................... 11

1.1 Анализ способов посадки и технических средств............................ 11

1.2 Анализ рабочих органов лесопосадочных машин и их влияния на качественные показатели посадки лесных культур........................................................................................... 18

1.3 Анализ научных исследований взаимодействия сошника с

почвой...................................................................................... 32

Выводы. Цель и задачи исследований............................................... 43

2 Теоретические исследования технологического процесса лесопосадочной машины с комбинированным сошником............................. 45

2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы лесопосадочной машины, использующей комбинированный сошник с почвозаделываю-щими окнами.............................................................................. 45

2.2 Моделирование технологического процесса лесопосадочной машины

с комбинированным сошником....................................................... 48

2.2.1 Моделирование взаимодействия комбинированного сошника с почвой.......................................................................................... 48

2.2.2 Моделирование движения сеянцев в посадочном аппарате.............. 60

2.2.3 Моделирование уплотняющих катков........................................ 63

2.2.4 Решение системы дифференциальных уравнений......................... 64

2.2.5 Программная реализация модели.............................................. 66

2.2.6 Входные параметры и выходные характеристики компьютерного эксперимента.............................................................................. 68

2.3 Исследования конструктивных параметров и режимов работы лесопосадочной машины с комбинированным сошником............................... 71

2.3.1 Стратегия систематического исследования................................. 71

2.3.2 Базовый имитационный эксперимент с типичными значениями параметров.................................................................................... 71

2.3.3 Исследование и обоснование параметров комбинированного сош-

ника лесопосадочной машины..................................................................................................................74

2.3.3.1 Влияние длины окон........................................................................................................................75

2.3.3.2 Влияние высоты окон....................................................................................................................76

2.3.3.3 Влияние высоты расположения окон..............................................................................78

2.3.3.4 Влияние вылета захвата почвы..............................................................................................81

2.3.3.5 Влияние угла захвата почвы....................................................................................................83

2.3.4 Оптимизация параметров комбинированного сошника лесопосадочной машины......................................................................................................................................................84

2.3.4.1 Методика оптимизации................................................................................................................84

2.3.4.2 Оптимизация захватов почвозаделывающих окон сошника......................85

2.3.5 Влияние скорости движения на работоспособость лесопосадочной машины с комбинированным сошником........................................................................................89

2.3.6 Влияние параметров сеянца..........................................................................................................91

2.3.6.1 Длина сеянца..........................................................................................................................................91

2.3.6.2 Масса сеянца..........................................................................................................................................92

2.3.7 Влияние координаты отпускания сеянца посадочным аппаратом............93

Выводы..........................................................................................................................................................................94

3 Программа и методика экспериментальных исследований..........................96

3.1 Программа исследований....................................................................................................................96

3.2 Оборудование, использованное в экспериментальных условиях..................97

3.3 Методика проведения лабораторных опытов..................................................................103

3.4 Методика проведения полевых испытаний........................................................................105

4 Результаты экспериментальных исследований..........................................................107

4.1 Лабораторные исследования макетных образцов комбинированных

сошников на песчаной почве....................................................................................................................107

4.1.1 Определение соотношения вылета захвата и длины окон для нижних почвозаделывающих окон............................................................................................................................108

4.1.2 Определение оптимального значения высоты нижних почвозаделывающих окон............................................................................................................................109

4.1.3 Определение соотношения вылета захвата и длины окон для верхних почвозаделывающих окон......................................................................................................111

4.1.4 Влияние высоты верхних почвозаделывающих окон на качество работы комбинированного сошника..................................................................................................114

4.1.5 Комбинированный сошник с наклонными почвозаделывающими окнами............................................................................................................................................................................116

4.2 Лабораторные исследования комбинированного сошника..................................117

4.2.1 Определение работоспособности комбинированного сошника без захватов в сравнении с серийным сошником..............................................................................118

4.2.2 Влияние основных параметров комбинированного сошника на эффективность его работы..........................................................................................................................120

4.3 Сравнение показателей эффективности экспериментального образца

комбинированного сошника с серийным сошником............................................................129

Выводы..........................................................................................................................................................................132

5 Технико-экономическое обоснование использования комбинированного сошника в конструкции лесопосадочного агрегата..............................134

5.1 Разработка опытного образца лесопосадочной машины........................................134

5.2 Условия проведения полевых исследований....................................................................136

5.3 Результаты производственных испытаний исследуемых лесопосадочных машин.....................................................,......................................................137

5.4 Экономическая эффективность применения разработанной лесопосадочной машины с комбинированным сошником..................................................................141

Основные выводы и рекомендации..............................................................................................149

Список использованных источников..........................................................................................151

Приложения............................................................................................................................................................165

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Лесовосстановление и лесоразведение проводится в сжатые, лучшие агротехнические сроки - до начала вегетации растений весной, при полной готовности почвы, когда она достаточно прогрелась, но не пересохла или поздней осенью. Данный период составляет три - четыре недели в году. Учитывая масштабы нашей страны, интенсивную эксплуатацию лесных ресурсов и происходящие лесные пожары, возникает необходимость ежегодно производить лесовосстановительные мероприятия на огромных территориях. Осуществление требуемых больших объемов лесопосадочных работ в обозначенные краткие сроки возможно только с помощью средств механизации.

В настоящее время существует большое количество лесопосадочных машин разного назначения, конструкция каждой из которых, зависит от конкретных задач и условий эксплуатации. Но, несмотря на все различия, они обладают общим технологическим процессом, состоящим из подготовки посадочного места, подачи в него растения и заделки корней почвой. И, как следствие, имеют одинаковую схему и последовательность выполнения основных операций рабочих органов. В результате чего им свойственны общие недостатки, такие как: образование воздушных пустот (кротовин), осыпание верхнего подсушенного слоя в посадочную борозду, наклон высаженных сеянцев выше допустимых значений, деформация корневой системы и др. Представленные негативные факторы, в первую очередь, связаны с трудностью обеспечения сбалансированной работы основных узлов посадочных машин, взаимосвязанная работа которых зависит как от условий посадки, так и типа и компоновки рабочих органов на раме машины. Также недостатки механизированной посадки заключаются в несовершенстве бороздообразующих и посадочных устройств, выполняющих только четко определенные функции подготовки посадочного места и подачи растений. Поэтому необходимо использовать принципиально новые конструктивные решения, которые смогут изменить исторически сложившуюся схему конструкций лесопосадочных машин и функций рабочих органов.

Новой ступенью развития конструкций лесопосадочных машин должно стать создание комбинированных рабочих органов, выполняющих несколько операций одновременно, с возможным осуществлением необходимых регулировок для использования агрегата на различных рельефах и типах почв. Наиболее перспективным решением является использование в конструкциях лесопосадочных машин комбинированного сошника, выполняющего функцию не только образования борозды, но и ее заделки.

Разработка новой конструкции комбинированного сошника требует теоретических и экспериментальных исследований, связанных с оптимизацией параметров конструктивных элементов, обеспечивающих принудительную заделку посадочного места.

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).

Цель исследований. Повышение качества механизированной посадки растений путем обоснования технологического процесса и параметров комбинированного бороздообразующего органа лесопосадочной машины, обеспечивающего принудительную заделку корней растений внутри сошника.

Задачи исследований:

^Усовершенствовать технологический процесс механизированной посадки растений путем заделки посадочного места бороздообразующим органом лесопосадочной машины и обоснования новой конструктивно - технологической схемы комбинированного сошника.

2) Разработать математическую модель технологического процесса механизированной посадки лесопосадочной машины, использующей комбинированный сошник с почвозаделывающими окнами.

3) Обосновать основные геометрические параметры комбинированного сошника и режимов технологического процесса механизированной посадки,

обеспечивающего принудительную заделку внутри сошника на основе математического моделирования.

4) Проведение лабораторных и полевых исследований комбинированного сошника лесопосадочной машины.

Объектом исследования являются комбинированный сошник с почвоза-делывающими окнами, технологический процесс заделки посадочного места внутри сошника.

Предметом исследования является математическая модель, методы и алгоритмы определения оптимальных конструктивных и технологических параметров комбинированного сошника лесопосадочной машины.

Методы исследования и достоверность результатов. Теоретические исследования проводились на основе имитационного моделирования и разработанной физико-математической модели технологического процесса механизированной посадки, с использованием метода конечных элементов и классической динамики упругого тела. Решение систем дифференциальных уравнений производилось с помощью численного интегрирования на ЭВМ. Экспериментальные исследования и проверка основных теоретических результатов проводились на опытных образцах в лабораторных и производственных условиях.

Научная новизна результатов работы.

1. Технологический процесс заделки корней растений и посадочного места, отличающейся принудительной подачей почвы из нижних и средних слоев борозды без нарушения пространственной структуры почвенных горизонтов, за счет новой конструкции лесопосадочной машины, использующей комбинированный сошник, защищенной патентом РФ на изобретение № 2410862.

2. Математическая модель рабочего процесса лесопосадочной машины, отличающаяся учетом технологического процесса заделки борозды комбинированным сошником лесопосадочной машины.

3. Закономерности рабочего процесса лесопосадочной машины, отличающиеся заделкой корней растений и посадочного места внутри комбинированного сошника.

4. Технологические рекомендации, совершенствующие технологию и качество механизированной посадки лесных культур.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Конструктивно - технологическая схема лесопосадочной машины, использующей комбинированный сошник, обладающий функциями образования посадочной борозды и засыпкой корней растений из нижних и средних влажных слоев в период их перемещения внутри сошника.

2. Математическая модель технологического процесса механизированной посадки лесопосадочной машиной, использующей комбинированный сошник с почвозаделывающими окнами, позволяющая проводить, на основе имитационного моделирования, теоретические исследования.

3. Закономерности влияния комбинированного сошника на технологический процесс лесопосадочной машины, позволяющие обосновать параметры комбинированного бороздообразующего органа с почвозаделывающими окнами и режимов функционирования разработанной лесопосадочной машины.

4. Рекомендации по технологическому процессу механизированной посадки, позволяющие повысить приживаемость лесных культур.

Значимость для науки состоит: в обосновании новой конструкции лесопосадочной машины и бороздообразующего органа; создании физико-математической модели и программы для ЭВМ, описывающие работу новой конструкции лесопосадочной машины; результатах теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия комбинированного бороздообразующего органа с почвой; рекомендациях по выбору параметров комбинированного сошника с почвозаделывающими окнами.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Разработана новая конструкция лесопосадочной машины и обоснованы основные параметры комбинированного сошника, которые позволяют повысить качество механизированной посадки растений. Получена математическая модель лесопосадочной машины, использующей комбинированный сошник с почвозаделывающими окнами.

Разработанные рекомендации по усовершенствованию технологии механизированной посадки лесных культур, созданные алгоритмы и программа ЭВМ на основе математического моделирования использованы: в учебно-опытном лесхозе ФГБОУ ВПО «ВГЛТА», в ОАО «Центральное опытно-конструкторское бюро лесохозяйственного машиностроения», в ООО «СТАЛЬ-СИНТЕЗ», в учебном процессе ФГБОУ ВПО Воронежской государственной лесотехнической академии при подготовке бакалавров и магистров лесотехнического профиля.

Достоверность научных результатов исследований. Выводы диссертационной работы основаны на результатах фактического материала, полученного при проведении экспериментальных исследований. В ходе проведения экспериментальных исследований учитывались тип, влажность и твердость почвы. Полученные данные обрабатывались с помощью программ Microsoft Office Excel, Statistica 5.5, MathCad 2000, Microcal Origin 5.0. и Borland Delphi 7.0.

Личное участие автора заключается в определении целей и задач работы, в выполнении научно-технических исследований и анализа их результатов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: заседаниях кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин, научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2010-2013 гг.), XII международной молодежной научной конференции СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2011, всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии и материалы» (ИТМ - 2011), XIII международной молодежной научной конференции СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2012, международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (г. Кострома, 2012 г.), всероссийском конкурсе проектов студентов и аспирантов в области инновационного ориентированного развития и сетевого взаимодействия в аграрном секторе экономики РФ (г. Брянск, 2012 г.).

Публикации. Основные научные разработки по теме диссерта