автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование параметров рабочего органа грунтомета для выполнения работ в лесном хозяйстве

На правах рукописи

ФЕДОРЧЕНКО ИГОРЬ СЕРГЕЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА ГРУНТОМЕТА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ В ЛЕСНОМ ХОЗЯЙСТВЕ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2013

005543947

Красноярск - 2013

005543947

Работа выполнена на кафедре «Автомобили, тракторы и лесные машины» ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

Научный руководитель: Холопов Владимир Николаевич, доктор

технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Лозовой Владимир Андреевич, доктор

технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», заведующий кафедрой «Технологии и оборудования лесозаготовок»

Мельников Вениамин Георгиевич, кандидат технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», кафедра «Технологические машины и оборудование», доцент

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Братский государственный

университет», г. Братск

Защита диссертации состоится «24» декабря 2013 г. в 10е2 часов на заседании диссертационного совета Д 212.253.04 при Сибирском государственном технологическом университете по адресу: 660049, Красноярск, пр. Мира, 82, ауд. Ц-110.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета.

Автореферат разослан « 22.» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

А. В. Мелешко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В лесохозяйственном производстве России в наше время активно внедряются новые технологии и малогабаритное по размерам и универсальное по технологическому назначению оборудование. Особое значение имеет совершенствование технологии и оборудования для лесовосстановления, в частности, нарезки борозд в грунте, перемещения грунта для засыпки корневой системы саженца, опашки созданных лесокультурных площадей и противопожарных работ. Работы такого вида, особенно в условиях образования леса, происходящего в процессе проведения постепенных или выборочных рубок без предварительной расчистки трасс, возможно выполнять при помощи малогабаритных и высокоманевренных грунтометов.

Создание универсальных грунтометательных машин требует всестороннего теоретического и экспериментального изучения характера процессов взаимодействия рабочих органов с грунтом. Однако существующие исследования по этой проблеме не в полной мере отражают характер взаимодействия рабочих органов грунтометов с предметом труда. Научное обоснование параметров рабочего органа грунтомета для выполнения работ в лесном хозяйстве является актуальным.

Работа выполнена по госбюджетной НИР, проводимой по заданию Федерального агентства по образованию «Изучение биотехнологических и динамических процессов в системе лесных машин при формировании основ рационального природопользования» № НИР 1.9.05, код ГРНТИ 68.47.43, 66.19.17, а также госбюджетной НИР «Разработка ресурсосберегающих и биотехнологических основ создания универсальных малогабаритных модульных комплексов для заготовки и транспортировки недревесных лесосырьевых ресурсов в горных и труднодоступных районах Сибири», код ГРНТИ 87.35, 68.47.43.

Цель работы - повышение эффективности выполнения лесохозяйственных работ путем совершенствования параметров рабочего органа грунтомета.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести функциональное исследование существующего оборудования, предназначенного для выполнения лесохозяйственных работ.

2. Разработать математические модели влияния параметров рабочего органа грунтомета на процесс взаимодействия с обрабатываемой поверхностью и движения частиц грунта в воздушной среде.

3. Выполнить математическое моделирование рабочих режимов грунтомета.

4. Разработать конструкцию макетного образца для проведения экспериментальных исследований.

5. Выполнить экспериментальные исследования для проверки адекватности математических моделей и достоверности результатов математического моделирования.

Объектом исследования является технологический процесс нарезки борозд в грунте и его перемещения для выполнения работ в лесном хозяйстве.

Предмет исследования - закономерности процесса нарезки борозд в грунте и его перемещения рабочим органом грунтомета, влияющие на выполнение лесохозяйственных работ.

Методы исследования. В качестве основных методов теоретических исследований в диссертационной работе использованы методы математического моделирования, теоретической механики, дифференциального исчисления. В экспериментальной части диссертационной работы использованы методы многофакторного планирования эксперимента, с последующей обработкой полученных результатов пакетами прикладных программ MathCAD 14, Statgraphics, Excel.

Научная новизна работы:

1. Впервые дана комплексная оценка работы грунтомета, макетный образец которого изготовлен по полученным автором патентам РФ № 2400274, № 117091, № 121448;

2. Разработана математическая модель, описывающая процесс взаимодействия рабочего органа грунтомета с предметом труда, учитывающая возможность его наклона к обрабатываемой поверхности;

3. Разработана математическая модель, описывающая процесс движения частиц грунта в воздушной среде с учетом кинематических параметров рабочего органа грунтомета;

4. Установлены зависимости характеристик создаваемой минерализованной полосы от режимов работы рабочего органа грунтомета.

Практическая значимость:

1. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при проектировании рабочих органов грунтометов для лесного хозяйства;

2. Внедрение результатов исследования позволит усовершенствовать конструкцию ротационных рабочих органов и повысить их эксплуатационные показатели.

На защиту выносятся:

1. Математические модели процесса взаимодействия рабочего органа грунтомета с обрабатываемой поверхностью и движения частиц грунта в воздушной среде с учетом рабочих параметров рабочего органа грунтомета;

2. Регрессионные модели, отражающие зависимость характеристик создаваемой в процессе нарезки борозд минерализованной полосы от основных кинематических параметров рабочего органа грунтомета;

3. Параметры рабочего органа грунтомета, обеспечивающие повышение эффективности выполнения лесохозяйственных работ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на семинарах и заседаниях кафедры «Автомобили, тракторы и лесные машины» Сибирского государственного технологического университета (Красноярск, 2008-2013); на Всероссийской научно-практической конференции «Лесной и химический комплексы: проблемы и решения» (Красноярск, 2009, 2010, 2013); на Всероссийской научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Красноярск, 2009-2011, 2013) и опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК: «Вестник КрасГАУ» (Красноярск, 2012, 2013); «Системы. Методы. Технологии» (Братск, 2012); на международной заочной конференции по проблемам агрокомплекса (Красноярск, 2013).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 17 работ, в том числе 3 статьи в журналах перечня ВАК, получено 3 патента РФ (№ 2400274, № 117091, № 121448).

Личный вклад. Автором лично разработаны изложенные в диссертационной работе математические модели, разработан и изготовлен макетный образец грунтомета, получены, обработаны и проанализированы экспериментальные данные.

Реализация работы. Результаты диссертационного исследования использованы ОАО «ЭММ ВНИИПОМлесхоз» при проектировании и изготовлении грунтометов.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Она включает 143 стр., 82 рис., 9 табл., библиографический список из 126 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и изложены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложен обзор конструкций лесохозяйственных агрегатов, используемых для нарезки борозд в грунте, перемещения грунта для засыпки корневой системы саженцев, опашки созданных лесокультурных площадей и противопожарных работ.

Выполненные исследования по материалам лесоустройства и литературным источникам показали целесообразность применения грунтометов при проведении лесовосстановительных работ и противопожарном устройстве лесокультурных площадей.

Значительный вклад в развитие научных методов исследования взаимодействия фрезерных рабочих органов с предметом труда внесли В.П. Горячкин, А.Д. Далин, Г.Г. Домбровский, А.Н. Зеленин, H.A. Исрафилов, A.A. Кукибный, М.Н. Летошнев, Г.Н. Синеоков и др.

Разработкой и изучением грунтометов занимались научные коллективы ЛенНИИЛХа Н.П. Валдайский, В.Н. Лиханос, В.В. Ниукканен,

И.В. Сафроненко, Г.Е. Фомин, А.Н. Чукичев, а также ВНИИПОМлесхоза, Г.Д. Главацкий, Г.М. Королев, Е.И. Максимов, С.Н. Орловский, Ю.А. Худоногов и др.

Разработкой и изучением технологических процессов и динамики работы лесозаготовительной и лесохозяйственной техники занимались ученые: В.А. Александров, Г.М. Анисимов, И.М. Бартенев, Е.А. Васякин, Ю.А. Добрынин, В.М. Котиков, А.М Кочнев, В.А. Лозовой, В.Ф. Полетайкин, П.Б. Рябухин, В.Н. Холопов A.M. Цыпук и многие другие.

Анализ выполненных научно-исследовательских работ и результаты патентных исследований показали, что в настоящее время для лесного хозяйства остаются не решенными в полной мере вопросы создания и эксплуатации универсальных активных рабочих органов для проведения лесовосстановительных и лесохозяйственных работ. В связи с этим были сформулированы цель и основные задачи исследования.

Во второй главе: приведено математическое описание технологического процесса работы рабочего органа универсального грунтомета наклонного типа при вырезании и метании грунта. Первая фаза работы заключается в отделении стружки грунта от массива.

При работе торцовая фреза диаметра D, (рис. 1 а) вырезает сегмент в грунте, с длинной хорды «Сф», при глубине резания h, при этом угол наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности составляет у =

При работе рабочего органа грунтомета такого же диаметра D с углом

наклона к обрабатываемой поверхности у(~- (рис. 1 б), при той же глубине

резания h, вырезает сегмент в грунте с длинной хорды «Сф».

D

Из рисунка 1 видно, что Сф < Сф. Тогда зависимость объема вырезанного грунта от угла наклона рабочего органа грунтомета к обрабатываемой поверхности определим:

, =г2 -Бту-

агсБШ

( Л )

{г-Яту)

Г«-.

БтУ

г Бту

(7)

и - -Ъ-(к-2-г-Бту),

где К,,- объем вырезанного грунта, м3; 1,ш - длина гона, м; А - глубина резания грунта, м; г - радиус рабочего органа, м; у - заключенный между плоскостью обрабатываемой поверхности и плоскостью рабочего органа грунтомета в направлении его движения, рад.

Графическое представление выражения (7) при значениях у от 30° до 90° показано на рисунке 2.

Угол наклона рабочего органа, градус Рисунок 2 - Зависимость объема вырезанного грунта от угла наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности

Из рисунка 2 видно, что с уменьшением угла наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности происходит увеличение объема

вырезанного грунта.

Вторая фаза технологического процесса работы роторных рабочих органов характеризуется движением грунта, поступающего на лопатки роторов. При этом материал совершает сложное движение: вращательное вместе с лопаткой и поступательное вдоль ее плоскости, на частицу будут действовать следующие силы: сила веса частицы в, центробежная сила инерции Рц, сила, вызываемая ускорением Кориолиса РКоР, сила трения Бтр.

В случае, когда лопатка отклонена от радиуса ротора на угол (±0) от направления вращения рабочего органа (рисунки 3,4).

Рисунок 3 - Схема сил, действующих на материальную частицу, при ее движении, по лопатке, отклоненной от радиуса рабочего органа на угол (-Р)

бЯпірфґ

Рисунок 4 - Схема сил, действующих на материальную частицу, при ее движении, по лопатке, отклоненной от радиуса рабочего органа на угол (+(5)

В данном случае абсолютную скорость Уа определим по теореме косинусов, тогда

У. = Cos(j -р)+vj

(В)

Система уравнений, с учетом сил, действующих на частицу

ímx = Fu ■ Cos/3 — FTp + GCos(cot + (p0- Р), [FkoP + G ■ Sin(ú)-t + (p0- P)-Fn- SinfJ -N = 0

(9)

Тогда абсолютную скорость схода определим по выражению:

к-А

(х-a)3-2x-coCos(^±P)-(C¡-krek'' +C!-k! -є1'1 + +Trco-Cos(a)-t+<p0±/3)-T!-co-Sin((o-t+<p0±/3))+(C,-kre>" + , (10)

k2 ■ e'" +Trю-Cosfco■ t + <p0±P)-T2-co• Siroco-t + (p0±P))!

где x - текущее расстояние частицы грунта до центра вращения, м;/- коэффициент трения грунта о материал лопатки; g - ускорение свободного падения, равен 9,8 м/с2; со - угловая скорость вращения рабочего органа, рад/с; t - время движения частицы по лопатке, с; kl, k2 - корни характеристического уравнения; С/, С2, Ti, Т2 - произвольные постоянные.

При наклоне рабочего органа на угол у полагаем, что за время движения частицы по лопатке, она не успевает соскользнуть с нее, т.е. переместиться поперек длины лопатки. Направим ось ОХ вдоль длины лопатки, ось ОУ-перпендикулярно длине лопатки, ось ОХ перпендикулярна плоскости диска и направлена в сторону поступательного движения рабочего органа (рисунок 5).

і А

ХА-

2-7

Рисунок 5 - Поворот рабочего органа относительно линии узлов £

В результате наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности на угол у ось ОІ перейдет в ось 02' и изменит свое

к

первоначальное положение на угол

■у.

Для математического описания поворота рабочего органа на угол

л

— - У от вертикали воспользуемся матрицей поворота (относительно линии узлов £), матрица поворота примет вид:

Біп^ір + Сох2 (р Соі^Соі^

-Со8(р-Біпірії-8іпу) Со8г<р + 5іпг<р-5ту Зтр-Соэу -Соїф-Соїу -8іп(р-Со$у Зіпу

(П)

Матрица (11) позволяет перейти от старого базиса соответствующего системе координат ХОУ, начало которого в центре рабочего органа, к новому базису с координатами Х'ОУ,

повернутых вокруг линии узлов с, проходящей через горизонтальный диаметр рабочего органа. Пусть вх , Оу, Ог - проекции вектора 5 на оси

ОХ, ОУ, ох, а вх\ су, Єг' проекции вектора О на оси ОХ', ОУ, ОТ, тогда:

'йх'" 'Ох в ■ 5т{у) ■ Со5(<р)

су = А- Су = А • О • 5/и(р) = О ■ 5 т(у) ■ 8т{<р) =>\су= С-5/и(У)-Л'и(¥>) (12)

. 0 , „ -С-Соз(у) , -С ■ Со5(у)

Тогда абсолютную скорость схода частиц с учетом радиального отклонения лопаток ((3) и наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности (у) определим по выражению

V =

■|±Д>

(* ■ й>)2 -2 • Л'• й)■ Сги(у ±/?) • (С, ■ Аг, ■ е'1' + С, ■ к2 ■ ек-' +

+ $т(у) ■ (Г, • со ■ Со.ч(са + /})-Т2 ■ а>- 5Ы(ах + <р0 ± /?))) + (С, к, -Л' + ,(13) С, -к2 -е':" +5/и(Я-(71 -со Со5(са + <р0±/])-Т2-й)-Зт(ся + <р0±/])))2

где х - текущее расстояние частицы грунта до центра вращения, м; Г - коэффициент трения грунта о материал лопатки; $ - ускорение свободного падения, равен 9,8 м/с2; со - угловая скорость вращения рабочего органа, рад/с; I - время движения частицы по лопатке, с; у - заключенный между плоскостью обрабатываемой поверхности и плоскостью рабочего органа грунтомета в направлении его движения, рад; Сь Ст - произвольные постоянные; Т|, Тг -постоянные уравнения.

Следующая фаза технологического процесса работы роторных рабочих органов включает в себя сход частиц грунта с лопатки с абсолютной скоростью Уа под углом к горизонту <рсх, их движение в воздушном пространстве (сопротивляющейся среде). При этом слет частиц начинается после выхода лопатки из зоны резания, при значении угла ф0, равному половине центрального угла 9.

Тогда для рабочего органа, наклоненной к обрабатываемой поверхности на угол у:

= агссоэ 1 - -

^ /? ■ Б'т(у)

к_

и ( ^ J

(14)

где у - угол, заключенный между плоскостью обрабатываемой поверхности и плоскостью рабочего органа грунтомета в направлении его движения, рад; Ь -глубина резания, м.

На рисунке 6 представлен график начальной фазы схода частиц грунта с лопатки, в зависимости от глубины резания и угла наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности, из которого видно, что при уменьшении угла наклона к обрабатываемой поверхности у увеличивается угол начала схода частиц.

3 о

95 ■ 85 ■ ї І 75 § а 65-с і 55

§й «

З & 35-1 а

§ 25

* 15

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 Глубина резания, м

0.1

0.11 0.12

— - -Угол наклона рабочего органа 30 градусов — - - Угол наклона рабочего органа 45 градусов

— — Угол наклона рабочего органа 60 градусов — Рабочий орган лерленз-н обр. пов-ти

Рисунок 6 - Угол выхода лопатки из зоны резания в зависимости от глубины резания и угла наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности

Для нахождения дальности полета метаемых частиц грунта определим угол схода <рсх между вектором абсолютной скорости схода частицы и линией горизонта.

(О

Рисунок 7 - К определению дальности полета частицы грунта в сопротивляющейся

среде

Тогда, как видим из рисунка 7, получим:

к V

<ра =(й)■ I + <р#)- — + агс^, (15)

где фо - угол выхода лопатки из зоны резания, рад; со - угловая скорость вращения рабочего органа, рад/с; I - время движения частиц по лопатке.

При установке лопаток ротора на угол (±Р) относительно радиального положения (рисунок 8) угол схода фсх определим из анализа составляющих скоростей частицы на момент ее схода с лопатки по выражению (16).

й>

Рисунок 8 - К определению угла схода частицы при отклонении лопатки от радиуса

К

9ы±Р] = <?>-- + агсвт

Уе Уа

■Соэ(Р)

(16)

где Уа±р - абсолютная скорость частицы для ±р, определяемая по (13).

В случае наклона рабочего органа у угол схода частиц с лопаток <Рс,у(111) вычисляется по формуле

<Ра,г<±Ю = аГС5[П' (<Ра:Ш У У )) .

где - угол схода частиц, определяемый по (16).

(17)

Чтобы определить ширину насыпной полосы, определим траекторию полета частиц грунта в сопротивляющейся среде через коэффициент сопротивления окружающей среде, применив метод итерации. С этой целью введем коэффициент кС1тр„, учитывающий сопротивление двух видов: ламинарное (рассчитываемой по формуле Стокса) и лобовое (рассчитываемое через миделево сечение). Уравнение коэффициента сопротивления, испытываемого частицей в этот момент, имеет вид

6-7Г-Т1-Г , с-Б■ рв-У0

сопрО

т

2-т

(18)

где г - радиус частицы грунта, м; с - коэффициент лобового сопротивления грунта; ^-вязкость воздуха, Пас;р,- плотность воздуха, принимаем 1,29 кг/м3; У0-. начальная скорость вылета частицы, м/с; Б - миделево сечение частицы грунта, м; т - масса частицы грунта, определяемая из выражения (19).

4 3 т — — к -г 3

Далее определим проекции ускорения аох, аоу по выражениям:

"о, =-V0-Cos(<pcx )-ксопр0,

°оу =-g-Vo-Sm(4>a)-kccv0

Проекции скоростей Vlx, Vly из выражения:

V,t = V0 ■ Cos(tpa)-V0-Cos(<pa)■ kmv„ ■ At,

V,y = V„ ■ Sin(<pct)-V0-Sin(<pa)■ kainp0 . At-g-At '

где 41 - шаг по времени, с.

Проекции скоростей Sjx, Siy из выражения:

(21)

S„ = ~Д/ ■ (2К0 ■ Со*(фа)-V0-Со*{фа)• At),

Sly=~At-(2V0-Sin(tJ-r<,-Sinfa yk^-At-g-At).

(22)

Определим угол схода фСХ| и V, с учетом их изменения за время Д1 по выражению:

(23)

Последовательность (18-23) повторяется до тех пор, пока 5пу, где п -количество шагов, не станет меньше нуля. Далее определим дальность Ь и высоту Н полета по выражениям

£ = IX+5а,+5зх+•■•+$„,

Траектории полета частиц песка различного гранулометрического состава, полученные в результате математического моделирования, представлены на рисунках 9 и 10:

Дальность полета, м

- - - ■ Угол вылета 60 градусов--- Угол аьлвта 45 градусов-Угол вылета 30 градусов

Рисунок 9 - Траектория полета частиц грунта радиусом 0,12 мм

/ ' V

— ¡V-. ' : ■ \ ^ --ч ..... 1

/ / / ^ - 1 ' . ' \\

---—и

О 0.5 1 1-5 2 2.5 3

Дальность полета, м

. - - Угол вылета 60 градусов — - - Угол вылета 45 градусов Угол вылета 30 градусов

Рисунок 10 - Траектория полета частиц грунта радиусом 0,25 мм

Ввиду различных углов схода частиц с лопаток рабочего органа, а также того, что на практике грунт представляет собой совокупность частиц различных типоразмеров, частицы будут лететь по разным траекториям, на разных высотах и на разные расстояния, образовывая насыпную полосу шириной 2,5-3 м.

На основе проведенных теоретических исследований и изучения существующих образцов грунтометательных машин была разработана конструкция грунтомета для выполнения работ в лесном хозяйстве, защищенная патентом на изобретение РФ № 2400274, а также патентами РФ на полезную модель № 117091, № 121448,

В третьей главе изложены методики проведения экспериментальных исследований, представлены характеристики условий проведения экспериментов, методов и средств измерения, а также применяемого оборудования и приборов, расчетные формулы и уравнения.

В качестве объекта исследований был взят технологический процесс создания минерализованных полос лесохозяйственными агрегатами на спроектированном и изготовленном макетном образце грунтомета (рисунок 11) на основании полученного автором патента РФ на изобретение № 2400274.

1 - рама; 2 - силовой агрегат; 3 - ременная передача; 4 - рабочий орган;

5 - опоры; 6 - ось качания; 7 - мерная емкость; 8 - фиксирующие штанги.

Рисунок 11 - Макетный образец грунтомета

Эксперимент проводился в соответствии с планом 3Л3, имеющим 27 точек при трехкратной его повторное™, на основании которого были получены математические модели для определения характеристик создаваемой минерализованной полосы.

При проведении эксперимента изменялись наиболее значимые факторы: Х| - окружная скорость рабочего органа по концам лопаток, м/с; х2 - угол наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности, градус; х3 - глубина резания грунта, м.

Таблица 1 - Кодовое обозначение факторов

Кодовое обозначение факторов Уровни варьирования Интервал варьирования

Нижний Основной Верхний

-1 0 + 1

1 2 3 4 5

Окружная скорость рабочего органа по концам лопаток, м/с 9 14 19 5

Угол наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности, градус 30 45 60 15

Глубина резания грунта, м 0,04 0,05 0,06 0,01

Окружная скорость рабочего органа по концам ножей изменялась частотой вращения вала рабочего органа, которую регулировали посредством установки шкивов с различными диаметрами в ременной передаче, передающей крутящий момент от двигателя бензопилы к валу рабочего органа.

Для исследования влияния угла наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности на характеристики создаваемой минерализованной полосы (ширину вырезаемой в грунте борозды) была предусмотрена возможность регулирования данного показателя на экспериментальной установке (рисунок 12).

1 - фиксирующая штанга; 2 - цифровой угломер; 3 - рабочий орган; 4 - ось качания; а - угол наклона 60 градусов, глубина резания 0,04 м; б - угол наклона 45 градусов, глубина резания 0,05 м; в - угол наклона 30 градусов, глубина резания 0,06 м.

Рисунок 12 - Изменение угла установки к горизонту и заглубления рабочего органа

Угол наклона рабочего органа к горизонту (рисунок 12) регулируется за счет изменения длины фиксирующих штанг (поз. 1), предусмотренных конструкцией макетного образца.

В четвертой главе проанализированы результаты экспериментальных исследований рабочего органа грунтомета. В результате были получены зависимости равномерности слоя создаваемой минерализованной полосы от конструктивных параметров рабочего органа грунтомета. По полученным экспериментальным данным и результатам их обработки в пакете прикладных программ MS Office Excel был построен график, представленный на рисунке 13.

а 40

с;

30

О -

0,6

1.8

2,4

_Ш.

3

Расстояние от борозды, м

— — угол резания грунта 55",радиальное отклонение лопаток 45'

В угол резания грунта 45*. радиальное отклонение лопаток

О" угол резания грунта 55", радиальное отклонение лопаток 25'

--угол резания грунта 45". тдиальное отклонение лопаток

Рисунок 13 - Распределение грунта по ширине отсыпной части минерализованной

полосы

Из графика видно, что наибольшая равномерность распределения грунта по ширине отсыпной части полосы соответствует углу резания грунта 55°, радиальному отклонению лопаток 25°.

Результаты проведенного эксперимента позволили уточнить конструктивные параметры макетного образца, а именно: угол резания грунта (55°) и угол наклона лопатки к радиусу рабочего органа ((3=25°), при которых обеспечивается создание наиболее качественной минерализованной полосы с точки зрения равномерного распределения метаемого грунта по ширине отсыпной части полосы.

При проведении следующего этапа эксперимента в качестве выходных величин были выбраны - ширина вырезаемой в грунте борозды, м (у|); ширина отсыпной части минерализованной полосы, м (у2); масса грунта на I, II, III участках, кг (у3, у4, у5 соответственно). Обработку экспериментальных данных основного эксперимента производим посредством пакета программ Statgraphics.

С целью установления степени влияния варьируемых технологических факторов на характеристики создаваемых минерализованных полос были получены математические модели параметров процесса, которые после оценки значимости коэффициентов регрессии имеют вид:

1) для математического описания прогнозирования ширины вырезаемой в грунте борозды наклонной рабочим органом грунтомета:

у, =0,320704- 0,0012037 -х, - 0,0349444 ■ л:2 + 0,0258704 х3 +0,00957407 ■ х\. (25)

Регрессионное уравнение окружной скорости рабочего органа по концам ножей, угла наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности, глубины резания грунта показывает, что наибольшее влияние на выходной параметр у| из всех переменных факторов оказывает х2,

который соответствует углу наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности;

2) для математического описания прогнозирования ширины отсыпной части минерализованной полосы

У 2

= 3,08383 + 0,389074 • х, - 0,032037 • х2 + 0,160185 ■ х2 - 0,0362963 ■ х2. (26)

Регрессионное уравнение (28) показывает, что наибольшее влияние на ширину отсыпной части минерализованной полосы имеет фактор х, -окружная скорость рабочего органа по концам ножей, в меньшей степени -х2 - угол наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности;

Й>

хНО

.1 ПС

й

б

Рисунок 14 - График поверхности откликов, при хг=0 для: а) ширины вырезаемой в грунте борозды (у,); б) ширины отсыпной части минерализованной полосы (у2)

3) для математического описания прогнозирования массы грунта на I (0-1 м), II (1-2 м), III (2-3 м) участках, кг (у3, у4, Уз соответственно)

у, =6,10757-0,0452593 -х, -0,112333■ х2+0,688185-0,161741-х,2 -- 0,239296 ■ х2 -0,0708333 • х2 • х3,

= 4,13752 - 0,0435926 ■ х, - 0,111593 ■ х2 + 0,688093 ■ х3 - 0,162778 ■ х,2 -0,238556-х2-0,0717778-х2-х3,

(27)

(28)

у5 = 2,90104 - 0,0361667 • х, - 0,113093 • х2 + 0,687463 • х3 - 0,160833 ■ х,2 --0,237056-х2+0,0725556-х., х3.

Регрессионные уравнения (27-29) показывают, что наибольшее влияние на массу грунта на различных участках минерализованной полосы имеет такой фактор как х3 - глубина резания грунта, в меньшей степени -х2 - угол наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности. И

третий фактор х, - окружная скорость рабочего органа по концам ножей свое влияние на процесс оказывает минимально.

Графическое представление выражений (27-29) показано на рисунке 15.

« юн Л

Рисунок 15 - График поверхности отклика для массы фунта на различных участках минерализованной полосы: а) I участок; б) II участок; в) III участок;

По результатам обработки экспериментальных данных были получены следующие значения входных параметров, обеспечивающих наилучшие характеристики создаваемых минерализованных, опорных полос лесохозяйственными агрегатами с активными рабочими органами для легких типов грунтов: х,=13 м/с; х2=39°; х3=0,06 м.

На рисунке 16 представлен сравнительный график теоретических и экспериментальных исследований зависимости ширины насыпной части минерализованной полосы.

2.5

2 22"

5 1.5ц

ё 11 2

о 0.5 -о

Л П ^

СО V /

-Теория

1 1.5 2

Дальность полета, м

-Ж- Эксперимент

Рисунок 16 - Сравнение теоретических и экспериментальных данных ширины насыпной части минерализованной полосы

Сравнение теоретических значений ширины отсыпной части минерализованной полосы с экспериментальными данными показало, что максимальное отклонение между ними не превышает 10 %, что позволяет сделать вывод об адекватности математической модели и достоверности полученных результатов.

Основные результаты и заключение

В результате выполненных исследований можно сделать следующие

выводы:

1. Анализ существующих технологий и оборудования по функциональным признакам, используемых в лесном хозяйстве показал, что для проведения лесовосстановительных работ путем нарезки борозд в грунте, опашки созданных лесокультурных площадей и противопожарных работ обосновано использование роторных рабочих органов;

2. Разработана математическая модель процесса взаимодействия рабочего органа грунтомета с обрабатываемой поверхностью, которая позволила установить, что при уменьшении угла наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности от 90° до 30° ширина вырезаемой в грунте борозды увеличивается на 29%, а количество метаемого грунта возрастает на 34%;

3. Разработана математическая модель и исследован процесс движения частиц грунта в сопротивляющейся среде с учетом лобового и «стоксового» сопротивлений. Установлено, что максимальная дальность полета частиц грунта наблюдается при значениях угла наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности от 30° до 40°;

4. Разработана конструктивная схема, изготовлен макетный образец и проведены экспериментальные исследования грунтомета для выполнения работ в лесном хозяйстве;

5. Выявлено, что равномерное распределение грунта по ширине отсыпной части минерализованной полосы обеспечивается следующими параметрами рабочего органа: угол резания грунта 55°, радиальное отклонение лопаток 25°;

6. Экспериментально определено, что наиболее эффективными параметрами работы макетного образца при нарезании борозд в грунте и создании минерализованных полос являются: окружная скорость рабочего органа грунтомета по концам лопаток и =13,0^-13,5м/с; угол наклона рабочего органа грунтомета к горизонту у=37°+40°; глубина резания грунта h=0,06 м;

7. Ожидаемый экономический эффект от внедрения малогабаритного грунтомета составит 84379 рублей в сезон.

Основные положения диссертационного исследования изложены

в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации:

1 Федорченко, И.С. Результаты экспериментальных исследований

грунтомета лесопожарного / И.С. Федорченко // Вестник КрасГАУ. - 2012.

- № 9. - С. 162-166.

2 Федорченко, И.С. К проектированию рабочего органа грунтомета / И.С. Федорченко, Е.И. Максимов // Системы. Методы. Технологии БрГУ -2012,-№4.-С. 41-44.

3 Федорченко, И.С. Теоретическое обоснование параметров лесопожарного грунтомета / И.С. Федорченко, Е.И. Максимов, Е.Е. Нестеров // Вестник КрасГАУ. - 2013. - № 5. - С. 194 - 199.

Патентах РФ:

4 Пат. № 2400274. Российская Федерация. МПК А62С27/00. Фронтальный лесопожарный грунтомет / Е.И. Максимов, И.С. Федорченко, И.В. Голубев, Д.А.Голубев - № 2009114066/12. Заявл' 13.04.2009; Опубл. 27.09.2010. Бюл. № 27. - 6 с.

5 Пат. № 117091. Российская Федерация. МПК А62СЗ/00, А62С27/00. Рабочий орган грунтомета лесопожарного / Е.И. Максимов, И.С. Федорченко - № 2011154395/12. Заявл. 29.12.2011; Оггубл' 20.06.2012. Бюл. № 17.-2 с.

6 Пат. № 121448. Российская Федерация. МПК А62СЗ/00. Поворотный рабочий орган лесопожарного грунтомета / И.С. Федорченко, Е.И. Максимов - № 2012117280/12. Заявл 26 04 2012' Опубл. 27.10.2012. Бюл. № 30. - 2 с.

Статьи и материалы конференций:

7 Федорченко, И.С. Анализ существующего оборудования для тушения лесных пожаров грунтом / И.С. Федорченко, Е.И. Максимов // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки. Сб. ст. всерос. науч-практич. конф. - 2009. -Т 1. - С. 192 - 194.

8 Федорченко, И.С. Экспериментальное устройство для метания грунта / И.С. Федорченко, Е.И. Максимов // Лесной и химический комплексы: проблемы и решения: Сб. ст. всерос. науч.-практич. конф -Красноярск, 2009. - Т. II. - С. 234 - 239.

9 Федорченко, И.С. Обзор теоретических исследований ротационных почвообрабатывающих машин / И.С. Федорченко, Е.И. Максимов // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки! Сб. ст. всерос. науч-практич. конф. - 2010.-Т 1,-С. 116- 117.

10 Федорченко, И.С. Разработка рабочего органа лесопожарного агрегата / И.С. Федорченко, Е.И. Максимов // Лесной и химический комплексы: проблемы и решения: Сб. ст. всерос. науч.-практич конф -Красноярск, 2010.-Т. 1.-С. 157- 159.

11 Федорченко, И.С. Грунтомет универсальный лесопожарный / И.С. Федорченко, Д.В. Кулижников // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки. Всероссийская научно-практическая

конференция, посвященная 80-летию СибГТУ. - 2011 -Том 1 - С 312314.

12 Федорченко, И.С. Роль лесопожарных грунтометов в системе технологий пожаротушения / И.С. Федорченко, P.C. Домбровский, Е.И. Максимов // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки. Сб. ст. всерос. науч-практич. конф. - 2013. -Т 1. - С. 102-104.

13 Федорченко, И.С. Проблемы использования узкоспециализированной лесопожарной техники в современных условиях пожаротушения / И.С. Федорченко, P.C. Домбровский // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки. Сб. ст. всерос. науч-практич. конф. -2013. -Т1.-С. 116-117.

14 Федорченко, И.С. Зависимость угла выхода лопатки из зоны резания грунта от угла наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности / И.С. Федорченко, Е.И. Максимов // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки. Сб. ст. всерос. науч-практич. конф. -2013.-Т 1.-С. 117-118.

15 Федорченко, И.С. Разработка поворотного рабочего органа лесопожарного грунтомета / И.С. Федорченко, Е.И. Максимов, С.Н. Дырдин // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки. Сб. ст. всерос. науч-практич. конф. - 2013. -Т 1. - С. 150 - 152.

16 Федорченко, И.С. и др. Модернизация технологий и оборудования для лесовосстановительных работ [Электронный ресурс] /

B.Н. Невзоров, И.С. Федорченко, В.Н. Холопов, P.C. Домбровский // Проблемы современной аграрной науки. - 2013. - Режим доступа: http://www.kgau.ru/new/all/konferenc/konferenc/2013/f5.pdf

17 Федорченко, И.С. Результаты экспериментальных исследований работы грунтомета при выполнении лесохозяйственных работ / И.С. Федорченко // Лесной и химический комплексы: проблемы и решения: Сб. ст. всерос. науч.-практич. конф. - Красноярск, 2013. - Т. 1. -

C. 157- 159.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 660049, г. Красноярск, проспект Мира, 82, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.253.04.

Подписано в печать 19.11.2013 г. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Изд. № 9/8. Заказ 1902. Редакционно-издательский центр СибГТУ 660049, г.Красноярск, пр.Мира, д.82. т. 8 (391) 227-69-90

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Сибирский государственный технологический университет»

На правах рукописи

04201452300

ФЕДОРЧЕНКО ИГОРЬ СЕРГЕЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА ГРУНТОМЕТА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ В ЛЕСНОМ ХОЗЯЙСТВЕ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Холопов В. Н.

Красноярск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................................9

1.1 Анализ существующих технологий и оборудования для лесохозяйственных работ..............................................................9

1.2 Технические средства, предназначенные для выполнения работ в лесном хозяйстве.......................................................................11

1.3 Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса метания грунта...........................................18

1.4 Цели и задачи исследования...................................................29

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИССЛЕДОВАНИЯ...................31

2.1 Теоретический анализ влияния параметров грунтомета на объем вырезанного грунта....................................................................31

2.2 Математическое моделирование процесса метания частиц грунта рабочим органом активного типа...................................................37

2.2.1 Торцовая фреза............................................................39

2.2.2 Фреза наклонена к обрабатываемой поверхности на угол у......53

2.3 Математическое моделирование процесса схода частиц грунта с лопатки рабочего органа активного типа, их движения в воздушном пространстве............................................................................61

2.3.1 Рабочий орган перпендикулярен обрабатываемой поверхности...............................................................63

2.3.2 Оценка влияния угла наклона у на сход частиц грунта..........69

2.3.3 Определение траектории полета частиц грунта в сопротивляющейся среде...............................................79

2.4 Обоснование принципиальной схемы универсального грунтомета..........................................................................83

2.5 Выводы по главе..................................................................86

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................88

3.1 Программа экспериментальных исследований...........................88

3.2 Описание макетного образца................................................88

3.3 Планирование экспериментальных исследований......................94

3.3.1 Планирование первого этапа эксперимента........................94

3.3.2 Планирование второго этапа эксперимента.......................96

3.4 Методика экспериментальных исследований............................98

3.5 Оборудование, используемое для проведения экспериментальных исследований...................................................................101

3.6 Методика расчета оценки погрешности измерений экспериментальных исследований.........................................103

3.7 Выводы по главе...............................................................105

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...........106

4.1 Результаты первого этапа эксперимента.................................106

4.2 Результаты второго этапа эксперимента.................................107

4.3 Выводы по главе..............................................................127

5 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ................................128

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................129

Приложение 1 Определение объема вырезаемого грунта........................144

Приложение 2 Основные этапы движения частиц.................................145

Приложение 3 Акт внедрения.........................................................148

Приложение 4 Расчет экономической эффективности...........................149

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Леса России являются одним из возобновляемых природных ресурсов, которые удовлетворяют множественные потребности индустрии, общества и выполняют важнейшие средообразующие и эколого-защитные функции. На всех этапах развития лесного хозяйства организация устойчивого управления лесами, их многоцелевое, непрерывное и неистащительное использование являлись стратегически важной задачей.

В соответствии с Концепцией долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 г., утвержденной распоряжением правительства Российской Федерации от 17 ноября 2008 г. № 1662-р, одним из приоритетных направлений развития лесного хозяйства является создание системы воспроизводства лесного фонда и восстановления лесов. Предполагается дальнейшее развитие рыночных экономических механизмов использования, охраны, защиты и воспроизводства лесов, а также материально-технической базы лесного хозяйства [27].

В лесохозяйственном производстве России в наше время активно внедряются новые технологии и оборудование малогабаритное по размерам и универсальное по технологическому назначению. Особое значение имеет совершенствование технологии и оборудования для лесовосстановления, в частности, нарезки борозд в грунте, перемещения грунта для засыпки корневой системы саженца, опашки созданных лесокультурных площадей и противопожарных работ. Работы такого вида, особенно в условиях образования леса, происходящего в процессе проведения постепенных или выборочных рубок без предварительной расчистки трасс, возможно выполнять при помощи малогабаритных и высокоманевренных грунтометов.

Существующие образцы такого оборудования, например ПЛК-5, ГТ-3 либо выпускаются в ограниченном количестве, либо не нашли массового применения ввиду отсутствия в лесном хозяйстве базовых машин нужного класса тяги. Так ПЛК-5, разработанный в ВНИИПОМлесхозе, вследствие закрытия института,

выпускается в единичных экземплярах, т.к. единственная оставшаяся «в живых» структура ОАО «ЭММ ВНИИПОМлесхоз» не способна обеспечить даже потребности субъекта необходимым количеством данного оборудования, не говоря о проектировании новых, образцов техники. Если рассмотреть вопрос применения ГТ-3, разработанного еще в ЛенНИИЛХ, то здесь сказывается в первую очередь возможность его агрегатирования только с тракторами Т-150К.

Для детализации сложившейся ситуации с производством отечественных технических средств для выполнения работ в лесном хозяйстве нами сделан обзор [98-106], который показал, что существующие исследования по этой проблеме не в полной мере отражают характер взаимодействия рабочих органов грунтометов с предметом труда. Научное обоснование параметров рабочего органа грунтомета для выполнения работ в лесном хозяйстве является актуальным.

Работа выполнена по госбюджетной НИР, проводимой по заданию Федерального агентства по образованию «Изучение биотехнологических и динамических процессов в системе лесных машин при формировании основ рационального природопользования» № НИР 1.9.05, код ГРНТИ 68.47.43, 66.19.17, а также госбюджетной НИР «Разработка ресурсосберегающих и биотехнологических основ создания универсальных малогабаритных модульных комплексов для заготовки и транспортировки недревесных лесосырьевых ресурсов в горных и труднодоступных районах Сибири», код ГРНТИ 87.35, 68.47.43.

Цель работы. Повышение эффективности выполнения лесохозяйственных работ путем совершенствования параметров рабочего органа грунтомета.

Объект исследования. Технологический процесс нарезки борозд в грунте и его перемещения для выполнения работ в лесном хозяйстве.

Предмет исследования. Закономерности процесса нарезки борозд в грунте и его перемещения рабочим органом грунтомета, влияющих на выполнение лесохозяйственных работ.

Методы исследования. В качестве основных методов теоретических исследований в диссертационной работе использованы методы математического

моделирования, теоретической механики, дифференциального исчисления. В экспериментальной части диссертационной работы методы многофакторного планирования эксперимента, с последующей обработкой полученных результатов пакетами прикладных программ MathCAD 14, Statgraphics, Excel.

Задачи исследования:

1 Провести функциональное исследование существующего оборудования, предназначенного для выполнения лесохозяйственных работ.

2 Разработать математические модели влияния параметров рабочего органа грунтомета на процесс взаимодействия с обрабатываемой поверхностью и движения частиц грунта в воздушной среде.

3 Выполнить математическое моделирование рабочих режимов грунтомета.

4 Разработать конструкцию макетного образца для проведения экспериментальных исследований.

5 Выполнить экспериментальные исследования для проверки адекватности математических моделей и достоверности результатов математического моделирования.

Научная новизна.

1. Впервые дана комплексная оценка работы грунтомета, макетный образец которого изготовлен по полученным автором патентам РФ № 2400274, № 117091, № 121448;

2. Разработана математическая модель, описывающая процесс взаимодействия рабочего органа грунтомета с предметом труда, учитывающая возможность его наклона к обрабатываемой поверхности;

3. Разработана математическая модель, описывающая процесс движения частиц грунта в воздушной среде с учетом кинематических параметров рабочего органа грунтомета;

4. Установлены зависимости характеристик создаваемой минерализованной полосы от режимов работы рабочего органа грунтомета.

Практическая значимость работы.

1. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при проектировании рабочих органов грунтометов для лесного хозяйства;

2. Внедрение результатов исследования позволит усовершенствовать конструкцию ротационных рабочих органов и повысить их эксплуатационные показатели.

На защиту выносятся:

1. Математические модели процесса взаимодействия рабочего органа грунтомета с обрабатываемой поверхностью и движения частиц грунта в воздушной среде с учетом рабочих параметров рабочего органа грунтомета;

2. Регрессионные модели, отражающие зависимость характеристик создаваемой в процессе нарезки борозд минерализованной полосы от основных кинематических параметров рабочего органа грунтомета.

3. Параметры рабочего органа грунтомета, обеспечивающие повышение эффективности выполнения лесохозяйственных работ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на семинарах и заседаниях кафедры «Автомобили, тракторы и лесные машины» Сибирского государственного технологического университета (Красноярск, 2008-2013); на Всероссийской научно-практической конференции «Лесной и химический комплексы: проблемы и решения» (Красноярск, 2009, 2010, 2013); на Всероссийской научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Красноярск, 2009-2011, 2013) и опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК: «Вестник КрасГАУ» (Красноярск, 2012, 2013); «Системы. Методы. Технологии» (Братск, 2012); на международной заочной конференции по проблемам агрокомплекса (Красноярск, 2013).

Личный вклад. Автором лично разработаны изложенные в диссертационной работе математические модели, разработан и изготовлен макетный образец грунтомета, получены, обработаны и проанализированы экспериментальные данные.

Реализация работы. Результаты диссертационного исследования использованы ОАО «ЭММ ВНИИПОМлесхоз» при проектировании и изготовлении грунтометов.

Достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается адекватностью разработанных уравнений регрессий современными средствами научных исследований, положительными результатами разработки, внедренными в производство.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 17 работ, в том числе 3 статьи в журналах перечня ВАК, получено 3 патента РФ (№ 2400274, № 117091, № 121448).

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Она включает 143 стр., 83 рис., 9 табл., библиографический список из 126 наименований.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ существующих технологий и оборудования для лесохозяйственных работ

Лесное хозяйство Российской Федерации в настоящее время продолжает оставаться во много отсталой отраслью, требующей существенной модернизации и основных направлений деятельности с использованием современных инновационных научно-технических достижений [27].

В этой связи актуальным направлением является внедрение нового оборудования малогабаритного по размерам и универсального по технологическому назначению. Одним из образцов такого рода оборудования являются грунтометы, область применения которых представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Область применения грунтометов

В наше время в России и зарубежных странах широкое применение находят машины и оборудование с активными рабочими органами для проведения лесовосстановительных и лесохозяйственных работ, путем нарезки борозд в грунте в сложных условиях движения оборудования, перемещение грунта для засыпки корневой системы саженца, опашки созданных лесокультурных площадей, а также проведения противопожарных мероприятий.

В практике борьбы с лесными пожарами выделяют две основных технологии (метода): прямое (непосредственное) тушение, применяющееся в том случае, когда имеется возможность непосредственной ликвидации горения, и косвенное тушение, заключающееся в создании на некотором расстоянии от кромки пожара заградительной полосы, способной остановить продвижение пожара [42].

На основе проведенного анализа существующих на сегодняшний день технологий борьбы с лесными пожарами составлена схема (рисунок 2), показывающая взаимосвязь применяемых технологий и средств пожаротушения.

Насыщенными перегретым паром

П ер е охлажденным пар ом

С применением авиации

С применением искусственного осадкообразования

Рисунок 2 - Технологии борьбы с лесными пожарами

Из схемы следует, что агрегаты, позволяющие использовать грунт в качестве огнетушащего средства, а также как средство локализации фронта пожара занимают одну из ключевых позиций, которая позволяет им быть задействованными как на прямом, так и косвенном тушении [106].

Для устройства заградительных и опорных полос применяться следующие почвообрабатывающие орудия и механизмы: тракторные и конные плуги, специальные тракторные грунтометы и полосопрокладыватели, бульдозеры (при необходимости расчистки полос от кустарника, завалов и пр.), лесопожарные агрегаты с навесными почвообрабатывающими орудиями, взрывчатые вещества и т.д. Применение почвообрабатывающих орудий на тракторной или автомобильной тяге повышает производительность и обеспечивает выигрыш во времени [18-22].

1.2 Технические средства, предназначенные для выполнения работ в лесном хозяйстве

Разработке техники для выполнения работ в лесном хозяйстве посвящено большое количество работ [4, 12, 20, 28- 34, 55, 72, 89, 91, 94, 95, 111, 117]. При этом различают технические средства, которые могут иметь рабочие органы пассивного (различные виды плугов) и активного типа (фрезы, грунтометы).

Плуги подразделяют: по типу рабочих органов — на лемешные и дисковые; по назначению - на плуги общего назначения с цилиндрическими, культурными, полувинтовыми и винтовыми рабочими поверхностями корпусов (ПЛН-4-35, ПЛН-3-35 и ПЧС-4-35) и специальные (лесные, кустарниково-болотные, плантажные, ярусные и др.). К лесным плугам относятся плуги ПКЛ-70, ПЛ-1, ПЛШ-1,2, ПЛП-135, ПЛД-1,2, ПЛ-2-50, ПКЛН-500А, ПЛО-400, ПЛС-0,6 [63].

Традиционно для прокладки минерализованных полос шириной 1,4 м применяется плуг комбинированный лесной ПКЛ-70 (Кировский завод «Почвомаш» ЭММ ВНИИПОМлесхоза), который агрегатируется с тракторами ЛХТ-55, ДТ-75 или ЛХТ-100 [91]. Модернизированный плуг ПКЛ-70

агрегатируется с колесным трактором МТЗ-82. При этом создание более широких минерализованных полос возможно только за счет дополнительных проходов.

Для прокладки минерализованных полос путем перемешивания лесного напочвенного покрова с грунтом разработан плуг ПЛК-2,0 в агрегате с гусеничным трактором ДТ-75 [20]. Краткие технические характеристики плугов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические характеристики некоторых видов плугов

Наименование машин и оборудования Ширина захвата, м Глубина обработки,см Производительность, км/ч

ПКЛ-70 0,7 10-15 1,2-1,5

ПЛП-135 1,35 До 30 2,0

ПЛН-4-35 1,4 30-40 0,7-1,3

ПЛ-1 1,0 10-15 1,0-1,5

ПЛШ-1,2 1,2 До 20 1,2

ПЛМ-1,3 1,3 До 30 2,5-3,0

ПЛМ-1,5 1,5 До 30 2,8

ПЛК-2,0 2,3 — До 6

ПЛД-1,2 1,2 До 25 До 2

ПНД-1 1,0 0,8-15 -

ПКЛН-500А 1,3 . 50 2,25

ПБН-75 0,75 35 0,5 га/ч

БДНТ-2,2 2,2 До 25 1,7 га/ч

Достоинства плугов заключаются в их малой энергоемкости и высокой надежности при выполнении лесопожарных работ в тяжелых лесорастительных условиях Сибири. К недостаткам минерализованных полос, созданных плугами, относится невозможность многократного ежегодного ухода за полосами. Наличие борозд и отвалов способствует водной эроз�