автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование параметров рабочих органов дискретного действия для образования посадочных мест на вырубках

На правах рукописи

Попов Игорь Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПОСАДОЧНЫХ МЕСТ НА ВЫРУБКАХ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 ОКТ 2015

Воронеж - 2015

005563350

005563350

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова» (ФГБОУ ВО «ВГЛТУ»),

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Заслуженный лесовод РФ Бартенев Иван Михайлович

Официальные оппоненты: Цыпук Александр Максимович - доктор тех-

нических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет», кафедра технологии и оборудования лесного комплекса, профессор

Алябьев Алексей Федорович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса», кафедра колесных и гусеничных машин, профессор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский госу-

дарственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова» (г. Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится 27 ноября 2015 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ауд. 146.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова» (http://www.vglta.vrn.ru/rassmotrenie-dissertacii-v-sovete-d-212-034-02)

Автореферат разослан «30» сентября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Алексей Дмитриевич Платонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В лесном хозяйстве нашей страны значительную часть лесокультурного фонда составляют вырубки. Несмотря на многолетний опыт лесопосадочных работ, проблема восстановления леса на вырубках остается одной из труднейших задач лесного хозяйства.

Основой рационального восстановления лесных культур на вырубках и гарях является качественная подготовка почвы, обеспечивающая оптимальные условия для выживания и роста сеянцев и саженцев лесных пород. Для этого необходимо создавать оптимальный водный режим на дренированных почвах, предотвращать избыточное поступление влаги к корневой системе растений на переувлажняемых почвах, снижать конкуренцию со стороны травянистой растительности.

Лесовосстановление на вырубках и гарях дорогостоящий технологический процесс. Наиболее энерго- и трудоемкими операциями при применяемой в настоящее время технологии, основанной на непрерывном линейном выполнении всех видов работ, являются корчевание пней и подготовка почвы к посадке. Причем предварительное полосное или сплошное корчевание пней является обязательным условием для обеспечения механизации последующих технологических операций.

Имеющийся отечественный и зарубежный опыт показывает, что снизить материальные и трудовые затраты, свести до минимального вредные экологические последствия применения механизированных способов подготовки посадочных мест, и в то же время повысить уровень механизации технологических операций, возможно, если идти по пути широкого применения машин и орудий дискретного действия. В этом случае не требуется полосная расчистка гарей и вырубок, расположенных как на равнинах, так и в горных лесах, не снижается плодородие почвы, практически исключается опасность водной эрозии и т.п. Еще более положительные результаты могут быть получены, если производить с одной установки одновременно подготовку почвы и посадку сеянцев и саженцев, например, с закрытой корневой системой.

Для реализации дискретного метода подготовки посадочных мест разработана конструкция универсального почвообрабатывающего орудия (УПО) с комбинированным рабочим органом, предназначенным для механизированной подготовки дискретных посадочных мест в виде микроповышений (на участках с временно переувлажняемыми почвами) или микропонижений (на участках с дренированными почвами), формирования лунки для посадки сеянцев и саженцев лесных пород с закрытой корневой системой.

Разработка новой конструкции универсального почвообрабатывающего орудия требует теоретических и экспериментальных исследований, связанных с определением и оптимизацией параметров комбинированного рабочего органа, обеспечивающего формирование дискретного 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).

Степень разработанности темы. Проблеме механизированной подготовки посадочных мест на вырубках посвящены научные работы Алябьева А.Ф., Баранова А.И., Бартенева И.М., Валяжонкова В. Д., Добрынина Ю.А., Драпалюка М.В., Попикова П.И., Соколова, А. И., Цыпука А. М. и др. В ходе анализа этих работ было выявлено, что образование посадочных мест на вырубках рабочими органами дискретного действия является перспективным направлением, однако существующих данных недостаточно для дальнейшего совершенствования технологического процесса и разработки более эффективного рабочего органа дискретного действия. Перспективным направлением является разработка универсального рабочего органа, способного осуществлять подготовку дискретных посадочных мест как на дренированных, так и на временно переувлажняемых почвах.

Цель исследований. Повышение производительности и качества механизированной подготовки посадочных мест в условиях дренированных и переувлажненных почв на вырубках путем обоснования технологического процесса и параметров рабочих органов дискретного действия.

Задачи исследований:

1. Усовершенствовать технологический процесс формирования дискретных посадочных мест и обосновать новую конструктивно-технологическую схему универсального почвообрабатывающего орудия.

2. Разработать математическую модель взаимодействия универсального почвообрабатывающего орудия с почвой, учитывающую особенности технологического процесса формирования посадочного места в виде микроповышений (микропонижений).

3. Обосновать основные геометрические параметры комбинированного рабочего органа и технологического процесса образования посадочных мест.

4. Разработать опытный образец универсального почвообрабатывающего орудия, провести экспериментальные исследования, определить агротехнические показатели его работы, разработать рекомендации по внедрению в производство, оценить экономическую эффективность.

Объект исследований. Объектами исследования является конструкция универсального почвообрабатывающего орудия (состоящего из трех дисковых корпусов и винтового бура), технологический процесс формирования посадочного места в виде микроповышения (микропонижения).

Предмет исследований. Предметом исследования являются конструктивные и технологические параметры комбинированного рабочего органа универсального почвообрабатывающего орудия и технологический процесс формирования посадочного места в виде микроповышения (микропонижения).

Научная новизна:

1. Усовершенствование технологического процесса формирования дискретных посадочных мест, отличающееся возможностью образования микроповышений (на участках с временно переувлажняемыми почвами) и микропонижений (на участках с дренированными почвами) с одновременным формированием лунки для посадки сеянцев и саженцев лесных пород с закрытой корневой системой за счет использования универсального почвообрабатывающего орудия с комбинированным рабочим органом.

2. Математическая модель взаимодействия универсального почвообрабатывающего орудия с почвой, учитывающая особенности технологического процесса формирования посадочного места в виде микроповышений (микропонижений), отличающаяся возможностью обосновать оптимальные геометрические параметры комбинированного рабочего органа, определить потребляемую мощность и основные параметры формируемого посадочного места.

3. Регрессионные зависимости взаимодействия комбинированного рабочего органа универсального почвообрабатывающего орудия с почвой, отличающиеся возможностью определения и оптимизации параметров УПО, обеспечивающего формирование дискретного посадочного места с необходимыми параметрами.

4. Компоновка комбинированного рабочего органа универсального почвообрабатывающего орудия, отличающаяся тем, что учитывает взаимодействие между дисковыми рабочими органами и винтовым буром в процессе формирования посадочных мест.

5. Рабочий процесс нового универсального почвообрабатывающего орудия, отличающийся повышением качественных и экономических показателей.

Теоретическая значимость работы. Разработана имитационная модель, описывающая процесс формирования посадочного места в виде микроповышения (микропонижения). Получены новые регрессионные зависимости, позволяющие определить по заданным конструктивным и технологическим параметрам УПО параметры создаваемого посадочного места.

Практическая значимость работы. Разработана перспективная конструкция универсального почвообрабатывающего орудия, обеспечивающая образование микроповышений (на участках с временно переувлажняемыми почвами) и микропонижений (на участках с дренированными почвами), формирования лунки для посадки сеянцев и саженцев лесных пород с закрытой корневой системой, новизна которой подтверждена патентом РФ на изобретение № 2508619. Разработаны рекомендации по внедрению в производство технологии подготовки дискретных посадочных мест, алгоритмы и программы для ЭВМ для анализа эффективности работы универсального почвообрабатывающего орудия. Эти материалы использованы в ООО «СТАЛЬ-СИНТЕЗ», УОЛ ВГЛТУ, и ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г. Ф. Морозова» при подготовке бакалавров и магистров лесотехнического профиля.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретические исследования проводились при помощи метода имитационного моделирования и математической модели универсального почвообрабатывающего орудия, с использованием классической динамики упругого тела и конечно-элементного подхода. Решение систем дифференциальных уравнений производилось с помощью численного интегрирования модифицированным методом Эйлера-Коши с применением ЭВМ. Достоверность основных теоретических результатов подтверждается на опытном образце, испытанном в полевых условиях.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационная работа соответствует специальности 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства (область исследований № 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин»).

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Усовершенствование технологического процесса формирования дискретных посадочных мест, позволяющее создавать микроповышения (на участках с временно переувлажняемыми почвами) и микропонижения (на участках с дренированными почвами) с одновременным формированием лунки для посадки сеянцев и саженцев лесных пород с закрытой корневой системой за счет использования универсального почвообрабатывающего орудия с комбинированным рабочим органом.

2. Математическая модель взаимодействия универсального почвообрабатывающего орудия с почвой, учитывающая особенности технологического процесса формирования посадочного места в виде микроповышений (микропонижений), позволяющая обосновать оптимальные геометрические параметры комбинированного рабочего органа, определить потребляемую мощность и основные параметры формируемого посадочного места.

3. Регрессионные зависимости взаимодействия комбинированного рабочего органа универсального почвообрабатывающего орудия с почвой, позволяющие определить и оптимизировать параметры УПО, обеспечивающие формирование дискретного посадочного места с необходимыми параметрами.

4. Компоновка комбинированного рабочего органа универсального почвообрабатывающего орудия, позволяющая учитывать взаимодействие между дисковыми рабочими органами и винтовым буром в процессе формирования посадочных мест.

5. Рабочий процесс нового универсального почвообрабатывающего орудия, позволяющий повысить качественные и экономические показатели.

Достоверность полученных результатов. Выводы диссертационной работы основываются на результатах анализа материала, полученного при проведении экспериментальных исследований в полевых условиях. В ходе проведения экспериментальных исследований механические свойства почвы не учитывались, т.к. при разработке математической модели было выявлено, что их влияние на качество формирования посадочного места незначительно. Полученные данные обрабатывались с помощью программ MathCAD 2014, Statistica 6.0 и Microsoft Office Excel.

Личный вклад автора в решение задачи исследования. Формулировка целей и задач диссертационной работы, проведение научно-технических исследований и анализ их результатов.

Апробация работы. Основные тезисы диссертационной работы рассматривались на: научных конференциях профессорско-преподавательского состава, заседаниях кафедры МЛХиПМ Воронежского государственного лесотехнического университета имени Г.Ф. Морозова (2011...2015 гг.), Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика» (25-27 марта 2014 г, г. Воронеж), V Международной заочной научно-практической конференции «Техника и технологии: роль в развитии современного общества» (28 мая 2015 г, г. Краснодар), Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные научные исследования» (17 мая 2015 г, г. Москва), Международной научно-практической конференции «Перспективы модернизации современной науки» (13 мая 2015 г, г. Уфа).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 работах, в том числе 6 статей в изданиях центральной печати рекомендованных ВАК, 6 публикаций без соавторов, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка и приложений. Общий объем работы - 169 страниц машинописного текста, включающего 156 страниц основного текста, 13 страниц приложений, 7 таблиц, 50 рисунков и 136 использованных источников из которых 19 иностранные.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цели работы, научные положения, выносимые на защиту, отображена новизна научных исследований, их практическая и теоретическая значимость, апробация результатов работы.

В первой главе проанализированы существующие линейные и дискретные методы подготовки посадочных мест, представлен обзор технологических процессов, агрегатов и рабочих органов дискретного действия, обоснована возможность применения при лесовосстановительных работах посадочного материала с закрытой корневой системой (ПМЗК). В результате анализа научно-исследовательских работ по данному направлению и патентного поиска выявлено, что для лесовосстановления и промышленного лесоразведения в сложных условиях вырубок, склонов, а также на мелкоконтурных участках и прочих неудобиях, необходимо использовать позиционные машины для подготовки дискретных посадочных мест, так как их рабочий процесс осуществляется по позиционному методу, что позволяет оператору анализировать рельеф местности выбирать оптимальное место для посадки; появляется возможность работы на вырубках без корчёвки пней и расчистки от порубочных остатков, что значительно уменьшает трудозатраты и экономические издержки; осуществление посадочных работ при различных почвенно-климатических условиях и рельефе позволяет унифицировать технологические решения и сократить потребность в различных видах машин. Известные конструкции машин не обладают всеми перечисленными выше характеристиками одновременно, поэтому необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию параметров нового рабочего органа.

Во второй главе разработана математическая модель взаимодействия рабочих органов универсального почвообрабатывающего орудия с почвой. Конструкция УПО подтвержденная патентом РФ на изобретение № 2508619 (рис. 1).

Универсальное почвообрабатывающее орудие состоит из рамы 1, редуктора 2 и комбинированного рабочего органа, включающего опорный вал 3, с установочными отверстиями под обойму 6. В нижней части опорного вала закреплен съемный винтовой бур 7 для подготовки посадочных лунок. Крепление трех дисковых корпусов 4, размещенных радиально вокруг центральной оси рабочего органа под углом 120°, осуществляется через поводки 5. Причем конструкция поводков предусматривает три группы установочных отверстий, по-

зволяющие раздвигать дисковые корпуса в радиальном направлении и фиксировать их в установленном положении. Соединение поводков с обоймой позволяет регулировать угол схождения дисков для режима работы орудия «всвал» (формирование микроповышшений) и «вразвал» (формирование микропонижений). Стандартные сферические диски снабжены сменными резцами для лучшего контакта с почвой и более интенсивного разрезания и крошения дернины.

В математической модели описывается взаимодействие рабочие поверхностей УПО, представленных в виде набора соединенных друг с другом элементов-треугольников, с почвой, описанной как совокупность шарообразных элементов малого размера. Причем это взаимодействие с точки зрения геометрии можно представить как поиск расстояния от некоторой поверхности орудия до произвольного шарообразного элемента почвы. В модели считается, что элементы почвы взаимодействуют с рабочими поверхностями и между собой вязкоупругими силами.

Система дифференциальных уравнений для г'-го элемента почвы описывает изменение почвенной системы при ее обработке УПО. Под воздействием рабочих поверхностей орудия происходит изменение пространственного положения шарообразных элементов почвы и под орудием со временем образуется конусообразное углубление. Согласно второму закону Ньютона движение г'-го элемента характеризуется следующей зависимостью: \ Н2х Из./ \ Ыт

Ш № У=1

/ \ "г

= О)

«г /-1

эЯ.

Ш у =1

где тэ - масса элемента; г - время; g - ускорение свободного падения; N3 -общее количество элементов в модели почвы; РУу, г у - силы упругого и вязкого взаимодействия элементов г и у, ИТ - количество элементарных поверхностей треугольной формы, из которых состоят рабочие поверхности; ^у - сила воздействия поверхности у на элемент почвы I.

В модели УПО помещается на заданную высоту не строго заданным образом, а находится в "плавающем" самоустанавливающемся положении. Для этого рассчитывается сила, действующая на рабочие поверхности со стороны почвы, и моделируется движение орудия под действием этой силы:

Рисунок 1 - Универсальное почвообрабатывающее орудие в двух режимах работы

а г,

тупа ^упо(0=

¿=1 ]=\

' тупо8>

(2)

где тУпо ~ масса орудия; гу[ю - вертикальная координата расположения УПО;

- вертикальная составляющая силы взаимодействия ¿-го элементарного треугольника рабочих поверхностей с у'-м элементом почвы.

Разработанная математическая модель универсального почвообрабатывающего орудия является системой, состоящей из множества алгебраических и дифференциальных зависимостей, а также условий использования при расчете различных сил. Для ее решения используется модифицированный метод Эйлера-Коши. При этом координаты и скорости элемента почвы рассчитываются следующим образом:

хм = х, + V,- • Д/ + а, ■ (А?)2 / 2; у,.+1 = у,. + а, • А/, (3)

где х, V, а - координата, скорость и ускорение элемента почвы; ¡' - номер шага интегрирования; Лг - шаг интегрирования.

Чтобы упростить исследование математической модели была создана специальная компьютерная программа (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013614901 РФ). В процессе работы программа непрерывно выводит на экран компьютера три проекции работающего орудия и обрабатываемой почвы, числовые значения показателей качества работы орудия, график зависимости потребляемой мощности от времени (рис. 2).

Разработанная математическая модель дает возможность анализировать большое количество конструктивных и технологических параметров УПО, принимая во внимание условия работы. Взаимосвязь факторов и критериев можно представить схематически следующим образом (рис. 3). На схеме представлены четыре группы переменных, используемых в модели. Первая группа "Конструктивные параметры УПО" представляет собой конструктивные параметры орудия: Яд - радиус дисков; а - угол атаки дисков; [> - угол схождения дисков; 1д - длина поводка; /г<? - высота бура; Ыр, 1р - количество и длина резцов на дисках. Ко второй группе "Технологические параметры УПО" относятся параметры, которые определяют алгоритм и кинематические характеристики движения УПО в пространстве: Ур -угловая скорость вращения ротора; у^ - скорость подачи. Третья группа параметров задает параметры почвы: сп, кв - коэффициент жесткости и вязкости взаимодействия элементов почвы; а^ - коэффициент ограничения взаимодействия элементов почвы. Четвертая группа параметров представляет собой показатели эффективности УПО: Ик — высота (глубина) конуса посадочного места; ЛЪН — неоднородность высоты микроповышения (микропонижения) в окружном направлении; Д^ - средняя потребляемая мощность; Н(г) и Н(<р) - поперечный и окружной профили посадочного места (рис. 4).

Рисунок 2 - Форма вывода результатов моделирования в "Программе для моделирования работы универсального почвообрабатывающего орудия"

Конструктивные параметры УПО

Показатели эффективности УПО

Модель универсального почвообрабатывающего орудия

В ходе решения задачи оптимизации требуется найти такие значения углов атаки и схождения дисков (а и ß), при которых высота конуса микроповышения (глубина конуса микропонижения) hK будет максимальной (рис. 5, а, б), а неоднородность высоты микроповышения (микропонижения) в окружном направлении Ahn (рис. 5, в) и средняя потребляемая УПО мощность Ncp минимальны. Таким образом, задачу оптимизации можно записать с помощью системы уравнений:

hK( a,ß) —» max; AhH (a, ß) —> min; ^ N(a,ß)—> min.

При анализе полученных совокупностей данных компьютерных экспериментов произведен поиск регрессионных закономерностей. Для этого произведена аппроксимация функций hic(a,ß), АИк(аф), N(a,ß) полиномами второго порядка. В результате получены регрессионные выражения для режима образования микроповышений (ß>0):

(5)

Технологические параметры УПО

Рисунок 3 - Постановка задачи на теоретическое исследование

а - поперечный; б - окружной Рисунок 4 - Профили формируемого микропонижения

(6)

(7)

Ик(а,/3) = -2,43• 10"3 • а2 + 2,69• 10 3 х х/З2 +9,5010~4 - а ■/? + (),331-а+ + ОД 38-у?-0,205;

Л/гя(а,/3) = 3,19-10~3 -а2 + 3,13-10^ х х/З2 +3,71-Ю-3 -а-/3 + 0,210 а--0,030- /? +1,23;

ЛГ(а,/?) = 3,15-10'3 а2 +5,38-Ю"4 х а - высоты конуса микроповышения; У-¡3'— 2,26-10 ■ СС ■ ¡3 — 0,128 • ОС +

б - глубины конуса микропонижения; +0 032 В + 8 26 в - показателя окружной неравномер- ' " > >

ности Для режима образования микропони-

Рисунок 5 - Определение параметров жений ф <0) (8,9, 10). посадочного места

Для удобства анализа каждая из поверхностей отклика может быть представлена в виде изолиний уровня (рис. 6), а образованное факторное пространство (а, Р) условно поделено на благоприятную область, в которой искомые критерии оптимизации принимают необходимые оптимальные значения, и неблагоприятную. В качестве границ между этими зонами в данном случае выбраны следующие изолинии: для Ик(а,Р) - 10 см для микроповышений и 5 см для микропонижений; для Акн(а,/3) - 10 см; для Ы(а, Д) — 8 кВт.

При наложении друг на друга полученных карт оптимизации получили пересечение благоприятных областей сложной формы (оптимальную область), анализируя которую были найдены оптимальные углы установки дисков УПО,

составляющие для режима формирования микроповышений а = 20°, /> = 25°, а для режима формирования микропонижений а = 20°, /? = -24°.

кк (а,/5) =5,63 -10"

?2 , О лг\ 1 п-4 „

(8)

•а + 1,13-10 х х р2 + 8,40-10" - а ■ р-0,212-а -— 0,217 • уЗ + 3,11;

Д/гя(а,/?) = -2,81-10"3 • а2 - 3,13 • 1 х р2 + 3,83 • 10~3 ■ сс • /3 + 0,392 • а -

-0,136 £+0,659; Ы(а,р)= 6,34-10";

•а2+4,60-10"

х р2 +1,09 • 10 3 ■ а • /? - 0,195 • а +

(9)

(10)

а - формирования микроповышений; б - формирования микропонижений Рисунок 6 - Карты оптимизации углов установки а и /? дисков УПО для режимов

+ 0,056 -р + 8,20,

При наложении друг на друга полученных карт оптимизации получили пересечение благоприятных областей сложной формы (оптимальную область), анализируя которую были найдены оптимальные углы установки дисков УПО, составляющие для режима формирования микроповышений а = 20°, /? = 25°, а для режима формирования микропонижений а = 20°, /? = -24°

На следующем этапе моделирования была проведена однофакторная оптимизация параметров универсального почвообрабатывающего орудия, в результате которой выявлено: угол схождения дисков |/?|=20...30" является оптимальным углом для обоих режимов работы орудия, изменяя его можно более точно регулировать крутизну и высоту конуса посадочного места; необходимое значение частоты вращения ротора составляет 0,5 с"1, а длины поводка - 0,5 м. При этом значении формируется качественный, хорошо выраженный конус. Высота микроповышения составляет не менее 15 см, а микроповышения - не менее 8 см, потребляемая мощность не превышает 8... 10 кВт, а окружная неравномерность не более 8... 10 см.

В третьей главе разработана методика экспериментального исследования УПО, определен набор варьируемых параметров и показателей эффективности, предложено приспособление для их измерения, подготовлен план двух-этапного экспериментального полевого исследования.

Взаимосвязь доступных к изменению в эксперименте параметров УПО и доступных к измерению показателей эффективности можно представить схематически следующим образом (рис. 7). В качестве варьируемых параметров выбраны: р -угол схождения дисков; у/> - частота вращения ротора УПО; Ыпр — количество проходов рабочего

Варьируемые параметры

Показатели эффективности УПО

Опытный образеп универсального почвообрабатывающего орудия

Рисунок 7 - Постановка задачи для полевого эксперимента

органа по одному месту в течение рабочего цикла; 1д - длина поводка. Показатели эффективности УПО: И (г) и И(<р) - поперечный и окружный профили; Ик -высота (глубина) конуса посадочного места; ЛИН - неоднородность высоты в окружном направлении; И- характерная потребляемая мощность.

Полевые испытания были разделены на два этапа: исследование зависимостей от каждого фактора оптимизации /?, уР, И„р по отдельности и двухфак-торная оптимизация параметров Р, Ыпр.

Для измерения геометрических характеристик посадочных мест изготовлено специальное приспособление. Оценку потребляемой УПО мощности производили косвенным путем с использованием предохранительной муфты, установленной на приводном валу.

В четвертой главе представлены результаты полевых экспериментальных исследований, в ходе одно- и двухфакторной оптимизации определены оптимальные значения варьируемых параметров УПО.

В ходе однофакторного эксперимента было установлено, что оптимальная частота вращения ротора в режиме формирования микроповышений составляет 0,5 с"1, так как при больших частотах вращения высота конуса Ик практически не увеличивается, однако резко растет потребляемая мощность. В режиме формирования микропонижений необходима частота вращения 0,2 ... 0,4 с"1, потому что глубина микропонижения практически не зависит от уР, а потребляемая мощность снижается до 4...6 кВт. Основным конструктивным параметром, позволяющим задавать форму микроповышения (микропонижения), является угол схождения дисков р. Для режима формирования микроповышений рекомендуется значение Р=22,5°, так как при большем увеличении угла Ик увеличивается незначительно, а потребляемая мощность существенно растет. Для режима формирования микропонижений оптимальный угол /?=-22,5°. При данном угле глубина конуса около 12 см, окружная неоднородность около 8 см, а потребляемая мощность около 8 кВт. Необходимое количество проходов рабочего органа по одному месту в течение рабочего цикла составляет 4.. .6. С помощью данного параметра можно в широких пределах управлять параметром Ик, а также обеспечивать заданную высоту конуса в зависимости от типа и состояния почвы. Длина поводка 1д может использоваться как регулировочный параметр, определяющий диаметр центральной области посадочного места или может устанавливаться минимальным с целью достижения максимальной высоты (глубины) конуса и минимальной потребляемой мощности.

При анализе полученных в ходе двухфакторного эксперимента результатов найдены регрессионные зависимости критериев Ик, АИН и N от факторов Р и Ыпр (11, 12, 13). Графическое отображение карт оптимизации параметров к экспериментальной двухфакторной оптимизации параметров УПО представлено на рисунке 8.

Двухфакторное экспериментальное исследование позволяет рекомендовать угол схождения дисков р в режиме формирования микроповышений 22,5 и количество оборотавротора в рабочем цикле около 5. При таких параметрах высота конуса более 15 см, окружная неравномерность менее 10 см, а потребляемая мощность не превышает 8 кВт.

15 20 25 р. фал.

ЫР, Л/у П ДАнФ. N..р) П Щ, Лу

-0,171)

х £ + 3,005-^+2,91; ААЯ(/?, Л^) = 6,667 • I О"4 ■ р2 + 4,167 х х 10-3 • - 0,019 • Р ■ Ыпр + 0,046 ■ ¡3 + + 1,039-^+4,17; М^^„р)=0,015-/?2+0,067-^ + -0,637 р-0,641х

(П)

(12)

(13)

Рисунок 8 - Карты оптимизации параметров /? и Ы„р УПО для режима формирования микроповышений.

+ 0,026 • р ■ Ипр -хКпр+12,94,

где Р измеряется в градусах, Ыпр - штуках, кк и ЛИн- в сантиметрах, N -ъ киловаттах В пятой главе произведено сравнение показателей экономической эффективности экспериментального образца универсального почвообрабатывающего орудия и серийной машины, используемой при лесовосстановлении для

подготовки дискретных посадочных мест в настоящее время. В качестве серийной машины был выбран ямокопатель КЯУ-60. Полевые испытания показали, что серийный ямокопатель не обеспечивает высокого качества подготовки посадочного места (рис. 9, в). Его рабочий орган в виде лопастного бура сильно разбрасывает почву вокруг посадочной ямы, что приводит к неудобствам при посадке. Для качественной заделки саженцев необходимо использовать дополнительную почву, которую нужно собирать вокруг посадочного места, либо использовать привозную, что приводит к необоснованным финансовым и временным затратам. Рабочий орган серийного ямокопателя не способен рыхлить почву вокруг посадочной ямы и снимать верхний задернелый слой, что приводит к увеличению конкуренции со стороны травянистой растительности, повышенному риску зарастания саженца, и как следствие, снижению приживаемости. Для снижения этих рисков необходимы дополнительные агротехнические уходы, что сложно осуществ-

а - экспериментальным образцом в режиме формирования микроповышений; б - экспериментальным образцом в режиме формирования микропонижений; в - серийным ямокопателем

Рисунок 9 - Качество подготовки посадочных мест исследуемыми машинами

лять в условиях иераскорчеваниой вырубки. Применение экспериментального образца УПО обеспечивает более качественную подготовку посадочного места (рис. 9, а, б). Благодаря наличию дополнительных дисковых рабочих органов вокруг посадочной ямы происходит образование рыхлого минерализованного пятна. При различных настройках орудия обеспечивается производство необходимых для данного типа почв посадочных мест в виде микроповышений или микропонижений с оптимальными параметрами.

Годовой экономический эффект, полученный от применения экспериментального образца УПО, составляет 73434 рубля. Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений 2,45 года.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Известные конструкции машин для дискретной подготовки посадочных мест не обладают всеми необходимыми характеристиками для формирования оптимального посадочного места для ПМЗК. Д ля улучшения качества механизированной под готовки дискретных посадочных мест разработана новая конструкция универсального почвообрабатывающего орудия, отличительной чертой которой является использование комбинированного рабочего органа, предназначенного для механизированной подготовки дискретных посадочных мест в виде микроповышений (на участках с временно переувлажняемыми почвами) или микропонижений (на участках с дренированными почвами) с параллельным формированием лунки для посадки сеянцев и саженцев лесных пород с закрытой корневой системой.

2. Разработанная математическая модель функционирования универсального почвообрабатывающего орудия позволяет оптимизировать показатели эффективности его работы с учетом следующих параметров: угол атаки дисков а, угол схождения дисков р, частота вращения ротора у/> длина поводка 1Д, коэффициент вязкого трения почвы кв. Рекомендуются следующие значения параметров: для режима формирования микроповышений - а = 20°, р = 25°, для режима формирования микропонижений - а = 20, р = -24°. Частота вращения ротора должна составлять 0,5 с'1, а длина поводка (расстояние от оси ротора до геометрического центра диска) - 0,5 м. При этом орудие формирует микроповышение высотой более 10 см (или микропонижение глубиной более 5 см), потребляемая мощность не превышает 8 кВт, а неравномерность уровня почвы вдоль окружности менее 10 см. Орудие имеет возможность работать в различных почвенно-климатических условиях практически независимо от механических свойств почвы, сохраняя при этом оптимальные параметры посадочного места.

3. Полевые испытания подтвердили работоспособность и высокую эффективность предложенной конструкции универсального почвообрабатывающего орудия. Сходимость результатов и чистота экспериментов соответствует предъявляемым требованиям и составляет в среднем 6 %.

4. Экспериментально установлено, что угол схождения дисков /? в режиме формирования микроповышений должен составлять 22,5, а количество проходов рабочего органа по одному месту в течение рабочего цикла - 5 шт. При таких параметрах высота

конуса более 15 см, окружная неравномерность менее 10 см, а потребляемая мощность не превышает 8 кВт.

5. Комбинированный рабочий орган универсального почвообрабатывающего орудия при производстве работ обеспечивает дополнительную обработку поверхности вокруг формируемой посадочной лунки, позволяющую улучшить приживаемость посадочного материала и снизить дальнейшие затраты на агротехнические и лесово-дственные уходы.

6. Годовой экономический эффект, полученный от применения экспериментального образца УПО, составляет 73434 рубля. Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений 2,45 года

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих работах.

В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Бартенев, И. М. Влияние геометрических параметров универсального почвообрабатывающего орудия на его эффективность [Текст] / И. М. Бартенев, И. В. Попов// Лесотехнический журнал. - Воронеж, 2014. - №2 (14). - с. 197-203.

2. Бартенев, И. М. Современное развитие конструкций лесопосадочных машин за рубежом [Текст] / И. М. Бартенев, И. В. Попов // Лесотехнический журнал. - Воронеж, 2014. - №2 (14). - с. 203-216.

3. Поздняков, Е. В. Конструкции и технологические процессы гстощадкоделателей [Текст] / Е. В. Поздняков, И. В. Попов // Весгаик АПК Ставрополья - 2014. - № 3. -с. 35-39.

4. Попов, И. В. Влияние кинематических параметров и условий эксплуатации универсального почвообрабатывающего устройства на его эффективность / И. В. Попов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал Куб-ГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2014. - №07(101). - с. 334 - 347. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdC17.pdf

5. Попов, И. В. Математическая модель универсального почвообрабатывающего орудия / И .В. Попов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2013. -№04(088). - с. 560 - 570. - Режим доступа: http .//ei.kubagro.ru/2013/04/pdf/38 .pdf

6. Попов, HB. Оптимизация углов установки дисковых рабочих органов универсального почвообрабатывающего орудия / И. В. Попов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2014. -№03(097). - с. 453 - 463. - Режим доступа: http://ei.kubagro.ni/2014/03/txlf/34.pdf

Патенты РФ

7. Пат. 2508619 РФ, МПК А01С5/04, А01ВЗЗ/14, А01В13/04. Универсальное почвообрабатывающее орудие [Текст] / И. М. Бартенев, П. И Титов, И. В. Попов; патентообладатель ФГЮУВШ«ВГЖА»-№2012148511/13;заявл. 14.11.2012; опубл. 10.03.2014.

8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013614901 РФ. Программа для моделирования работы универсального почвообрабатывающего орудия [Текст] / И. М. Бартенев, И. В. Попов, В. В. Посметь-ев-№2013613039; заявл. 15.04.2013; опубл. 22.05.2013.

9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014614096 РФ. Программа для анализа эффективности универсального почвообрабатывающего орудия [Текст] / И. М. Бартенев, И. В. Попов, В. В. Посметь-ев - №2014611846; заявл. 05.03.2014; опубл. 16.04.2014.

Статьи и материалы конференций

10. Попов, И. В. Однофакторная оптимизация параметров универсального почвообрабатывающего орудия [Текст] / И. В. Попов // Техника и технологии: роль в развитии современного общества: Материалы V Междунар. науч.-практич. конфер. 28 мая 2015 г.: Сб. научн. тр. -Краснодар, 2015.-е. 54-61.

11. Попов, И. В. Подготовка дискретных посадочных мест как перспективное направление в искусственном лесовосстановлении [Текст] / И. В. Попов // Перспективы модернизации современной науки: сборник статей Международной научно-практической конференции (13 мая 2015, г. Уфа). - Уфа: РИО МЦИИ ОМЕГА САЙНС, 2015-е. 17-20.

12. Попов, И. В. Результаты экспериментального исследования работы универсального почвообрабатывающего орудия [Текст] / И. В. Попов, И. М. Бартенев // Фундаментальные и прикладные научные исследования: сб. статей Междун. науч.-практич. конфер.(17 мая 2015 г, г. Москва). - Москва: РИО ЕФИР, 2015.-е. 54-58.

13. Попов, И. В. Универсальное почвообрабатывающее орудие [Текст] / И. В. Попов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сб. науч. тр. по материалам международной заочной научно-практической конференции (Воронеж, 25-27.03.2014 г.). - Воронеж, 2014. - №2 ч.2 (7-2). - с. 84-88.

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

Попов Игорь Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПОСАДОЧНЫХ МЕСТ НА ВЫРУБКАХ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати Формат 60x90 1/16. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 343 Отпечатано в УОП ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» 394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10