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 машины для выкопки саженцев с комом почвы

На правах рукописи

005044385

Дручинин Денис Юрьевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА МАШИНЫ ДЛЯ ВЫКОПКИ САЖЕНЦЕВ С КОМОМ ПОЧВЫ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 мдм 2012

Воронеж - 2012

005044385

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Драпалюк Михаил Валентинович

Официальные оппоненты: Казаров Ким Рубенович

доктор технических наук, профессор кафедры сельскохозяйственных машин ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет»,

Посметьев Валерий Иванович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой производства, ремонта и эксплуатации машин ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный

университет леса»

Защита диссертации состоится «15» мая 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» (394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, зал заседания - аудитория 240).

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

Автореферат размещен на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ http: //vak. ed. gov, ruf

Автореферат разослан «10» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Скрыпников A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Одним из перспективных способов лссовос-сгановления и лесовыращивания являе1ся создание лесных культур крупномерными саженцами, пересаживаемыми с комом почвы. Эгог способ создания насаждений находит также широкое применение при озеленении юродов, создании ландшафтного дизайна.

Поэтому в лссокультурном производстве и озеленительных работах начинают во всё больших масштабах использовать крупномерный посадочный материал, который хорошо приживается на новом месте и более устойчив в конкуренции с травяной растительностью, при этом ликвидируется сезонность в посадочных работах и сокращается объем работ по подготовке почвы.

Однако, не считая фосовой подрезки кома и использования подъемных кранов, процесс выкопки посадочного материала крупных саженцев чаще всею ос гас гея нс-механизированным и самым трудоемким.

Саженцы с комом почвы выкапываются вручную с помощью обычных лопат и шпоров. Эти инструменты в работе крайне неудобны и непроизводительны. Ими разрушается корневой ком крупномерных саженцев, корневая система повреждается, что отрицательно сказывается на приживаемости и сохранности посадочного материала.

Значительные затраты труда и людских ресурсов идут и на подготовку посадочных ям для последующей посадки. Для этого применяются различные модификации ямокопателей, экскаваторов и просто ручной груд - рабочие лопатами выкапывают ямы необходимого размера.

В России для выкопки саженцев с комом земли до сих пор нет серийно выпускаемых машин. За рубежом (например, в Германии) имеется целая серия вы-копочных машин разных видов и модификаций для различных размеров выкапываемого крупномерного материала.

Так как данная технология выкопки и создания ландшафтного дизайна, а также озеленения, перспективна, необходимо провести дополнительные исследований и создать отечественную машину для выкопки крупномерною посадочного материала с комом почвы, способную одновременно создавать посадочные ямы.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» «Совершенствование технологий, машин и оборудования лесного комплекса».

Цель н задачи исследования. Целью данной работы является повышение качества и эффективности выкопки саженцев с комом почвы путем обоснования формы и геометрических параметров рабочего органа выкопочной машины.

В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решаются следующие задачи:

1. Разработка конструктивно-технологической схемы выкопочной машины;

2. Разработка математической модели взаимодействия рабочего органа выкопочной машины с почвой и корнями саженцев;

3. Проведение теоретических и экспериментальных исследований процесса выкопки саженцев с комом почвы;

4. Определение оптимальных параметров рабочего органа выкопочной машины;

Предмет и объект исследования. Объектом исследования являются рабочий орган выкопочной машины, корни саженцев, почва.

Предметом исследования являются математическая модель, методы и алгоритмы поиска оптимальных конструктивных и технологических параметров выкопочной машины.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования.

Теоретические исследования базировались на математическом моделировании взаимодействия рабочего органа выкопочной машины с почвой и корнями саженцев. Решение дифференциального уравнения осуществлялось с применением численного интегрирования на ЭВМ. Обоснованность и достоверность теоретических результатов обеспечиваются сопоставлением с данными лабораторных и производственных экспериментов. Полученные данные обрабатывались с использованием программ Excel, Statistica 6, MatLab 7.

Научная новизна результатов работы.

1. Обоснованы общие параметры конструктивно-технологической схемы выкопочной машины, отличающиеся тем, что рабочий орган выполнен в виде двух треугольников, направленных острыми углами в сторону выкапываемого саженца, а задняя часть рабочего органа выполнена в виде полуковша.

2. Разработана математическая модель процесса взаимодействия рабочего органа выкопочной машины с почвой и корнями саженцев, отличающаяся учетом влияния параметров рабочего органа на силовые и качественные показатели процесса.

3. Получены закономерности взаимодействия рабочего органа с почвой и корнями саженцев, отличающиеся учетом силовых показателей рабочего процесса и динамики рабочего органа с различными геометрическими параметрами.

4. Обоснованы геометрические параметры рабочего органа выкопочной машины, отличающиеся оптимальными значениями, полученными по критерию силовых показателей процесса выкопки саженцев с комом почвы.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Конструктивно-технологическая схема выкопочной машины, позволяющая повысить качество процесса выкопки саженцев с комом почвы.

2. Математическая модель процесса взаимодействия рабочего органа выкопочной машины с почвой и корнями саженцев, позволяющая описать процесс выкопки саженцев с комом почвы.

3. Закономерности взаимодействия рабочего органа с почвой и корнями саженцев, позволяющие оценить силовые показатели рабочего процесса и его динамику в зависимости от различных геометрических и эксплуатационных параметров рабочего органа выкопочной машины.

4. Обоснованные геометрические параметры рабочего органа выкопочной машины, позволяющие повысить эффективность процесса выкопки саженцев с комом почвы.

Теоретическая и практическая значимость работы. Рекомендации, алгоритмы и программа для ЭВМ, разработанные на основе математического моделирования использованы в ООО «ИНВИТРО», в ООО «СТАЛЬ-СИНТЕЗ» в конст-

рукторском бюро «ЦОКБлесхозмаш», в учебно-опытном лесхозе ФГБОУ ВПО «ВГЛТА», в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» при подготовке инженеров лесотехнического профиля.

Практическая значимость заключается в установлении влияния конструктивных и эксплуатационных параметров рабочего органа на процесс выкопки саженца с комом почвы; получении математической модели процесса взаимодействия рабочего органа выкопочной машины с почвой и корнями саженцев; разработке новой конструкции выкопочной машины, новизна которой подтверждена патентом на полезную модель № 99277.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства, (критерии п. 7 «Положение о порядке присуждения ученых степеней» Минобрнауки России).

Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2009-2012 гг.), на технических советах ЦОКБлесхозмаш, заседаниях кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии, всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2010», всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям «Эврика-2011», всероссийских и региональных молодежных научных конференциях «У.М.Н.И.К.».

Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 13 работах, включая 3 статьи в изданиях центральной печати, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 патент на полезную модель.

Структура и обьем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 181 страницу машинописного текста, включающего 149 страниц основного текста, 23 таблицы, 87 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы и научные положения, выносимые на защиту, научная новизна выполненных исследований, их пракгическая значимость, результаты внедрения.

В первом разделе проведен анализ существующих технологий выкопки саженцев с комом почвы. Проведен обзор исследований конструкций машин для выкопки саженцев с комом почвы, сформулированы задачи исследований.

За рубежом (в частности, в Германии) созданы серийно выпускаемые машины для выкопки саженцев с комом почвы различных модификаций для различного размера выкапываемого материала: «Optimal Opitz», «Bobcats» и другие. Однако импортные машины очень дороги, металлоемки и сложны в эксплуатации. Российских серийных выкопочных машин для механизации данной операции практически нет.

При обзоре отечественного и зарубежного опыта в этом вопросе установлено, что наиболее перспективными являются рабочие органы выкопочных устройств в виде ковшей и скоб, заглубляемых в почву под действием движущей силы. Однако рабочие процессы и параметры технологического оборудования выкопочных машин недостаточно исследованы, нет четкого представления о том, какие должны быть геометрические параметры рабочего органа выкопочной машины.

Во втором разделе приводится разработка математической модели взаимодействия рабочего органа выкопочной машины с почвой и корнями саженцев и обоснование оптимальных параметров рабочего органа.

Для улучшения качественных показателей технологического процесса выкоп-ки саженцев с комом почвы предложена новая конструктивно-технологическая схема выкопочной машины (патент на полезную модель № 99277).

Машина содержит раму с несущими брусьями 1 и устройством крепления к трактору 2, вертикальные стойки 3 с закрепленным на них рабочим органом в виде двух треугольников 4, полуковша 5 в задней его части, двух гидроцилиндров 6. Рабочий орган выполнен в виде двух треугольников, направленных острыми углами в сторону выкапываемого саженца, в задней части которого оборудован полуковш (рисунок 1). Два гидроцилиндра поворачивают рабочий орган по полуокружности, тем самым вырезая саженец с комом почвы.

6 -

ь

1 Л т

а. &

Н - расстояние от оси враи&ния рабочего органа до поверхности почвы 1р • толщина вертикальных стоек Нр - высота профиля рабочего органа

и ¿>к — ширина центральной и

боковых полос полуковша - толщина ножей рабочего органа /3 — угол заточки лезвий ножей ОМ и ОТ- ширина режущих крокюк ножей

Рисунок I - Расчетная схема математического моделирования взаимодействия рабочею органа выкопочной машины с почвой и корнями саженцев

Составлено и проанализировано дифференциальное уравнение, описывающее движение основного элемента выкопочной машины - рабочего органа в виде двуплечего рычага АОВ, представляющее собой вращение вокруг неподвижной оси ОУ (рисунок 1):

^уФ = МоуХРщ) + МоуфР)-Моу(Рсопр), (1)

где 1оу - момент инерции рычага относительно оси ОУ, кгм2; <р - угол поворота, град.; Ргц - сила давления, создаваемая в гидроцилиндрах, Па; Ср - сила тяжести рычага, Н; Моу(Рсопр) - суммарный момент сил сопротивления движению рабочего органа относительно оси ОУ, Н м.

Выделены для отдельного изучения с целью определения моментов сил сопротивлений элементы рабочего органа (рисунок 1): два режущих элемента (лезвия) в виде клиньев (р); боковые стенки полуковша (п); рабочие поверхности полуковша (к).

Сила давления, приложенная к рабочему органу со о стороны гидроцилиндров, имеет линию действия ОВ (рисунок 2). Момент силы давления относительно оси О К равен

М„у(РгЧ) = ЧА1, (2)

гдеxg = ОВcos(<p + <P¿¡); = OBsm(cp + <ps) ,Ргц< =|p,4|-cos<?j,4 ,

. _ Масса рычага рабочего органа т„ определена с

Рисунок 2 - Схема к расчету „ ,■ „„ ,

момента силы давления использованием программы SolidWorks, с учетом то-

относителыю оси OY го, что его материал однороден, изготовлен из материала Стали 45 плотностью р = 7800 кг/м3.

Положение центра тяжести изучаемой конструкции - точка С изменяется в зависимости от угла поворота рычага следующим образом: X^ = OCcos(<p + tpg),

Zg =OCsin(9> + <p¿=).

Значение момента силы тяжести относительно оси О Y может быть записано в виде

M¡á(Gp) = тр ■ g-OCcos(<p + <рс). (3)

Суммарный момент сил сопротивления боковых поверхностей полуковша относительно оси О К равен

Moy(PT¡) = PT¡ ■\ОС\ = fainS,\ОС\, (4)

где РТ. - тангенциальная составляющая силы сопротивления боковых поверхностей полуковша; / - коэффициент трения скольжения пары грунт-металл; <тп2 - удельное сопротивление вдавливанию пуансона в грунт, Па; S¡- площадь элементарной ячейки разбиения, м2; \ОС,\ - расстояние от точки О до центра параллельных сил в i-ой ячейке - точке приложения силы 1\ , м.

М„

В алгоритме расчёта учитывалось, что формула (4) справедлива для элемента полностью погружённого в почву. Элементы, не имеющие контакта с фунтом, свободны от внешних усилий, здесь Р = 0

и Моу (Р ) = 0 (рисунок 3).

Суммарный момент сил сопротивления движению рабочего органа должен содержать сумму мо-Рисунок 3 - Схема к расчету мо- ментов сил трения, приложенных к элементам, по-мента сил сопротивления боко- груженным в почву (рисунок 4). Момент сил сопро-вых поверхностей полуковша тивления внутренней и внешней рабочей поверхности

полуковша относительно оси О Y равен

May (РКт, ) = (/ + /)• ■ Í$K + ) • p¡ ■ Aan¡, (5)

где - тангенциальная составляющая силы сопротивления рабочих поверхностей

полуковша; /,/ - коэффициент трения скольжения металла о грунт с внутренней и внешней стороны полуковша; 6К и 8К - ширина полос полуковша, м; ак - удельная сила сопротивления движению полуковша, Па; р = р(ап) - функция радиуса полуковша, м.

/> л (í

/ Ök /

/ Л

& ;

а) б)

Рисунок 4 - Схема к расчету сопротивления элементов внутренней и внешней рабочей поверхности полуковша: а) вид спереди; б) вид сбоку

Для нахождения суммарного момента сил сопротивления поверхности рас-

"р

сматриваемого лезвия относительно оси ОУ необходимо вычислить Т,Моу(РР„)

Ку(Рр,) = z,pr„, cos(ñ, х) - x,PFn¡ cos(й,z), (6)

где Ppn¡ - нормальная составляющая силы сопротивления резанию; х¡,z¡ - координаты точки приложения силы PPn¡, ñ - вектор внешней нормали к плоскости лезвия.

Чтобы определить проекции вектора я на оси координат в любой момент времени составлено уравнение плоскости фаски одного из лезвий в текущем положении D АО С (рисунок 5) в системе координат XYZO, оси которой параллельны осям неподвижной системы координат. Для остальных трёх кромок лезвий проделаны аналогичные действия.

Уравнение плоскости, проходящей через три точки C(xc,yc,zc), D (XD>yD-'zD-)> О дает определитель третьего порядка

х~хс У-Ус У

хо~х

Учитывая, что у .= О, zc = 0, имеем

(х-хс)- {-yczd - zD. (yd -ус))-(у- ус )((xd. -xc)-zó-

~zD.-{xó -XC)) + Z((X[.-xc)-(yo. ~yc) + (xó-xc)-yc) = 0.

Координаты точек С, D и Ó:

xc = 0 ,yc= \KC\ = SP ■ ctgß, гс = 0;

xDi siria Р =-Sp-sinaP,yD, = 0 ,zfl/ = \d'K\cosaP=öPcosap-,

xo' =lP cosarcosap,yol =lp sina, +SP ctgßP,zo, =lp CosarsmaP,

с У ¿-Ус

ZD~Z

лг у • — Уг 2 О ^ О С

= 0.

(7)

где аР - угол резания; Р - угол заточки; дР - толщина резца, м; 1Р - длина режущей кромки |СО| = \со \, м; а, - угол между внешней кромкой резца и вертикальной плоскостью.

Отсюда

пх = cos(f , *) = A¡ = -УС2q --D- (Уó ~Ус) >

ny=cos(ñ,y) = B\=zD.(xó-xc)-zo.(xD-xd)\ nz = cos(ñ , z) = С, ={xD- -xc)-(y0- ->'c) + (V-*с)'Ус-

(9) (10) (И)

Xa К X

Рисунок 5 - Схема к расчёту проекций вектора единичной нормали к поверхности лезвия

Подставив найденные выражения моментов в исходное уравнение (1), получим дифференциальное уравнение движения рабочего органа выкопочпой машины

1тф = ((ОВeos(<р+<рё))(Р,, eos^)-(ОВsin(р + <p¡)) (,P^sin,p^) + (mp g-OCсоф+<p¿.))-

-Ú(/Gn2-л\ОгМ\г НЗр«т1р cosa, sina, -

2л í=i (l¿)

eos<xp(¡p sinal)-x¡JtapSp!p (Sp sina)(lp sin«,)+((/, cosa, соsap)Spctgp)-

Дая, Л\

Для удобства моделирования специально составлена программа на языке MatLab.

Компьютерный эксперимент с моделью заключался в имитации процесса выкопки саженца с комом почвы рабочим органом выкопочной машины (рисунок 6). Рабочий орган двигался по полуокружности с постоянной скоростью в почве, армированной корнями. При этом лезвия ножей вступали во взаимодействие с почвой и корнями саженцев, осуществляя их резание и постепенно производя вы-копку саженца с комом почвы.

Для изучения закономерностей взаимодействия рабочего органа выкопочной машины с почвой и корнями саженцев проведены серии компьютерных экспериментов с изменением параметров рабочего органа выкопочной машины (изменению подвергали факторы Н, 1П, Нр. 5П, дк, 6К', 8ле], параметр лезвия QM, параметр лезвия QT; a¡ и а2, /г); параметров корней саженцев ( изменению подвергали количество корней в зонах А, В и С; диаметр корней в зонах А, В, и С - d;

9

а б

Рисунок 6 - Форма ввода исходных данных для имитационного моделирования (а) и изображение, выводимое на экран компьютера программой для моделирования процесса вы-копки саженца с комом почвы выкопочной машиной (б).

Проведенный анализ привел к заключению, что на эффективность рабочего органа выкопочной машины наибольшее влияние оказывают следующие параметры: расстояние от оси вращения рабочего органа до поверхности почвы Я; высота профиля рабочего органа Нр; ширина центральной полосы полуковша' 5К; ширина боковых полос полуковша 8К ; толщина лезвия ножей рабочего органа ; угол заточки лезвия ножей рабочего органа р..

При оптимизации необходимо было найти такой набор параметров, при которых будет оптимальным следующий критерий: суммарный (главный) момент всех сил, действующих на рабочий орган, относительно оси ОГ(должен быть как можно больше).

В связи с этим решены следующие три задачи оптимизации, т.е.

Моу(Н,Нр) шах;

" Моу(дК'3к') тах;

Моу(6лез,Р)-+т ах.

При оптимизации параметров рабочего органа каждый из шести факторов варьировали на пяти уровнях: Я - 0,5...0,7 м с шагом 0,05 м; Нр - 0,25...0,45 м с шагом 0,05 м; 8К - 30...70 мм с шагом 10 мм; 8К' - 30...50 мм с шагом 5 мм; 8т -4. ..12 мм с шагом 2 мм; р - 30°. ..70° с шагом 10°.

Для каждой из трех задач оптимизации проведено по 25 компьютерных экспериментов. При этом получены таблично заданные функции двух переменных для оптимизируемой функции.

Важным преимуществом двухфакторной оптимизации является возможность графически изобразить поверхность отклика и провести ее визуальный анализ.

При анализе каждой из поверхностей отклика, представленной с помощью линий уровня, были определены благоприятные области факторного пространства (Я, Нр), (8К8К'), (8т,р) (рисунок 7).

Анализ конфигурации благоприятных областей в факторном пространстве (Я, Нр) позволяет сделать выводы, что оптимальное расстояние от оси вращения рабочего органа до поверхности почвы составляет от 0,64 до 0,75

м при высоте профиля рабочего органа от 0,42 до 0,52 м.

Из анализа конфигурации благоприятных областей в факторном пространстве (<5А.<5Л) можно сделать выводы, что оптимальная ширина боковых полос полуковша составляет 30.. .40 мм при ширине центральной полосы 30.. .50 мм.

Анализ конфигурации благоприятных областей в факторном пространстве (<5 ,„,/?) позволяет сделать выводы, что оптимальный угол заточки лезвий ножей рабочего органа составляет 25°.. .35° при толщине лезвий 6.. .9 мм.

Рисунок 7 - Поверхности отклика к оптимизации параметров рабочего органа выкопоч-ной машины

В третьем разделе изложена программа экспериментальных исследований, описаны применяемое оборудование и методика проведения исследований. Целью экспериментальных исследований являются повышение эффективности процесса выкопки крупномерных саженцев с комом почвы выкопочной машиной, определение оптимальных параметров почвы при формировании цельного кома.

Проведены серии экспериментов по:

- оптимизации геометрических параметров ножей рабочего органа (угол при вершине, угол заточки) на основе экспериментов по силовому перерезанию корней дуба черешчатого, сосны обыкновенной, березы повислой и тополя пирамидального;

- определению оптимальных параметров почвы при формировании качественного кома почвы.

Для проведения исследований была разработана и изготовлена экспериментальная установка (рисунок 8), включающая в себя передвижную тележку почвенного канала 1, навеску тележки 2, раму 3, рабочий орган, состоящий из лезвий в виде двух треугольников 4 и полуковша 5 в задней его части, боковых стоек 6. Рабочий орган и боковые стойки образуют двуплечий рыча!', который приводится в движение при помощи двух гидроцилиндров 7.

Рисунок 8 - Экспериментальная установка выкопочной машины

Рабочий орган выкопочной машины приводится в движение посредством гидроцилиндров от гидросистемы тракторной тележки.

Перерезание образцов корней саженцев проводилось на испытательной машине УМ-5А с применением оснастки, разработанной доцентом кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин ВГЛТА Бухтояровым Л.Д.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований силового перерезания корней саженцев различных пород и рабочего процесса выкопки саженцев с комом почвы.

Проведение исследований по силовому перерезанию корней позволило установить, что минимальное усилие при перерезании наблюдается при угле заточки ножа 30° и угле при вершине 105°. Для изучения были выбраны значения усилия перерезания корней дуба черешчатого, так как корни дуба среди рассматри-

Рисунок 9 - Зависимость усилия перерезания корней дуба различными видами ножей с утлом заточки 30° от диаметра корней

Для оптимизации параметров почвы проведена серия экспериментов в соответствии с матрицей планирования двухфакторного эксперимента.

В результате проведения экспериментов получены осциллограммы изменения давления в гидроцилиндрах во время процесса выкопки. На рисунке 10 представлен график изменения давления рабочей жидкости при твердости почвы р = 2 МПа и влажности почвы У\/п = 75 %.

Эксмрииенпльны* данны* Результаты моделирования

1 * {

( '--1 -------

к, 1,1 1 ,

х 3

1

А

Рисунок 10 - Изменение давления рабочей жидкости при твердости почвы р = 2 МПа и влажности почвы = 75 % и сравнение экспериментальных и теоретических показателей

По результатам экспериментальных данных построены зависимости давления рабочей жидкости от влажности почвы при ее твердости 1,5 МПа и давления от твердости почвы при ее влажности 75 % (рисунок 11).

а) б)

Рисунок 11 - Зависимости давления от влажности почвы при твердости 1,5 МПа (а) и давления от твердости почвы при влажности 75 % (б)

Из анализа зависимостей установлено, что с увеличением влажности и твердости почвы возрастает и давление рабочей жидкости в напорной гидромагистрали.

По полученным результатам найдены аналитические выражения критерия от факторов в виде уравнения регрессии

У = 2,8317 + 0,35-А'! +0,0078-х2, (13)

где У - давление рабочей жидкости в гидроцилиндрах, МПа

Х| - твердость почвы, МПа;

х2 - влажность почвы, %.

На рисунке 12 изображена поверхность, описываемая полученным уравнением регрессии.

! -

Рисунок 12 - Зависимость давления рабочей жидкости от влажности и твердости почвы

Анализ графика показывает, 410 зависимость давления от твердости почвы и влажное ти — линейная.

По результатам проведенной оптимизации установлено, что минимальное давление рабочей жидкости в нагнетательной гидромагистрали выкопочной машины при условии формирования цельного кома почвы наблюдается при твердости почвы 1,5 МПа и влажности 75 %.

В пятом разделе определена технико-экономическая эффективность экспериментального образца выкопочной машины. Выкопочная машина агрсгатировалась с фактором ЛТЗ-60А (рисунок 13).

Производственная проверка работоспособности экспериментального образца выкопочной машины на базе трактора ЛТЗ-60А показала, что часовая производительность составила 30 сажснцсв/час. Годовой экономический эффект при внедрении в производство нового экспериментального образца выкопочной машины составляет 205934 рублей при сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений 0,6 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Анализ процесса выкопки саженцев с комом почвы, показал, что механизация исследуемого процесса находится на крайне низком уровне. При исследовании конструкций существующих выкопочных машин установлено, что наиболее перспективными в исследуемом вопросе являются рабочие ортаны выкопочных агрегатов в виде ковшей и скоб, заглубляемых в почву под действием движущей силы.

2. Разработана новая конструктивно-технологическая схема выкопочной машины (патент РФ на полезную модель № 99277). Форма рабочего органа обеспечивает плавное, без рывков, вхождение в почву, и уменьшение действующих на него нагрузок в связи с увеличением длины режущей кромки, при этом улучшается качество среза корней саженцев.

3. При проектировании выкопочной машины необходимо учитывать, что с увеличением расстояния от оси вращения рабочего органа суммарный момент внешних сил уменьшается. Целесообразно принимать данное расстояние от 0,64 м до 0,75 м. Оптимальная высота профиля рабочего ор1ана находится в пределах от 0,42 м до 0,52 м. Оптимальная ширина боковых полос полуковша составляет 30...40 мм при ширине центральной полосы 30.. .50 мм. Оптимальная толщина лезвий составляет 6.. .9 мм.

4. При увеличении утла за точки суммарный момент внешних сил уменьшается из-за увеличения сопротивлений резания почвы и перерезания корней. По результатам теоретических и экспериментальных исследований установлено, что оптимальный угол заточки лезвий ножей рабочего органа выкопочной машины (при котором наблюдается минимальное усилие перерезания корней саженцев и качественный, без размочаливания, смятия и разрывов срез корня) составляет 25°.. .35°.

5. На основе экспериментальных данных получены аналитические зависимости усилий перерезания корней саженцев различных пород от их диаметров, при анализе

14

Рисунок 13 - Экспериментальный образец выкопочной машины во время проведения нолевых испытаний

которых установлено, что минимальное усилие при перерезании корней саженцев наблюдается при применении ножа с углом при вершине 105° и углом заточки 30°.

6. На качество формирования кома почвы оказывают наибольшее влияние влажность и твердость почвы. Установлено, что зависимость давления от твердости и влажности почвы - линейная. Оптимальная влажность почвы при условии формирования цельного кома почвы - 75 %. Оптимальная твердость почвы при условии формирования цельного кома почвы - 1,5 МПа.

7. Производственная проверка работоспособности экспериментального образца выкопочной машины на базе трактора J1T3-60A показала, что часовая производительность составила 30 саженцев/час.

8. Годовой экономический эффект при внедрении в производство нового экспериментального образца выкопочной машины составляет 205934 рублей при сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений 0,6 года.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Печатные работы, опубликованные в изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК к публикации при представлении кандидатской

диссертации

1. Дручинин, Д.Ю. Математическая модель взаимодействия рабочего органа выкопочной машины с почвой и корнями растений / Д.Ю. Дручинин, O.P. Дорняк, М.В. Драпалюк // Электронный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2011. - № 68 (04). - Шифр информрегистра: 0421100012/0113. -Режим доступа: http://www.ej.kubagro.ru/201 l/04/pdf713.pdf

2. Дручинин, Д.Ю. Механизация перспективного способа выкопки крупномерных саженцев с комом почвы [Текст] / Д.Ю. Дручинин // Вестник КрасГАУ. -Красноярск, 2011 -№6. -с. 132-135.

3. Дручинин, Д.Ю. Оптимизация процесса выкопки саженцев с комом почвы выкопочной машиной на основе многофакторного эксперимента /Д.Ю. Дручинин // Современные проблемы науки и образования [Электронный ресурс]. - М.: «Академия естествознания», 2012 - № 1 (39). - Режим доступа: http://www.science-cducation.ru/101-5511

Патенты и свидетельства

4. Патент на полезную модель 99277 РФ, МПК A01CI1/00. Выкопочная машина [Текст] / М. В. Драпалюк, Д. Ю. Дручинин; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО "ВГЛТА". — № 2010111038; заявл. 23.03.2010; опубл. 20.11.2010.

Статьи н материалы конференции

5. Дручинин, Д.Ю. О механизированной выкопке крупномерных саженцев в питомниках [Текст] / Д.Ю. Дручинин // Вестник Харьковского национального технического университета сельского хозяйства имени Петра Василенко. - Харьков, 2010. - Вып. 94. - с. 343-348.

6. Druchinin, D.U. Mechanization of plantlets lifting operations [Text] / D.U. Druchinin, N. 1. Bazarskaya // Актуальные проблемы лесного комплекса: межвуз. сб. науч. Трудов [Вып. 1, т. 2]. - Воронеж, 2010. - с. 157-160.

7. Дручинин, Д.Ю. Перспективные разработки в области лссовыращивания, лссовосстановления и озеленения территорий [Текст] / Д.Ю. Дручинин // III тысячелетие - новый мир: труды Международного Форума по проблемам науки, тех-

15

ники и образования. - М., 2010. - с. 146-147.

8. Дручинин, Д.Ю. О скорейшем восстановлении лесов, пострадавших от пожаров [Текст] / Д.Ю. Дручинин // Проблемы и перспективы развития лесоме-лиораций и лесного хозяйства в Южном Федеральном округе: материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 90-летию высшего лесного образования на Дону. - Новочеркасск, 2010. - с. 238-241.

9. Дручинин, Д.Ю. О разведении и восстановлении дубрав в поймах рек [Текст] / Д.Ю. Дручинин // Лесотехнический журнал. - Воронеж, 2011. - № 2. - с. 6-9.

10. Дручинин, Д.Ю. К вопросу учета взаимодействия рабочего органа лесных машин с почвой и корнями растений при математическом моделировании [Текст] / Д.Ю. Дручинин У/ Молодой ученый. - Чита, 2011. - № 7. - с. 25-28.

11. Дручинин, Д.Ю. Средства механизации для выкопки крупномерного посадочного материала и подготовки посадочных ям [Текст] / Д.Ю. Дручинин // Эв-рика-2011: сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям. - Новочеркасск, 2011. - с. 136-138.

12. Дручинин, Д.Ю. Разработка средств механизации для выкопки крупномерного посадочного материала с комом почвы и подготовки посадочных ям [Текст] / Д.Ю. Дручинин // СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2011: материалы международной молодежной научной конференции. - Ухта, 2011. - с. 45-47.

13. Дручинин, Д.Ю. Машина для выкопки крупномерных саженцев с комом почвы и подготовки посадочных ям [Текст] / Д.Ю. Дручинин // Наукоемкие технологии и материалы (НТМ-2010): сб. тр. регион, науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. - с. 81-83.

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-(4732)-537-418 Дручинин Денис Юрьевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА

МАШИНЫ ДЛЯ ВЫКОПКИ САЖЕНЦЕВ С КОМОМ ПОЧВЫ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 10.04.12. Формат 60x90 1/16. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 165 Отпечатано в УОП ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» 394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10