Оптимизация параметров цепного кустореза с рубящими элементами на основе лабораторного экспериментального исследования

Проведена оптимизация конструктивных параметров цепного кустореза с рубящими элементами. Определены оптимальные частота вращения цепного барабана, скорость движения кустореза, просвет между цепным барабаном и почвой Ключевые слова: КУСТОРЕЗ, ОСВЕТЛИТЕЛЬ, РУБЯЩИЙ ЭЛЕМЕНТ, ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ, ОПТИМИЗАЦИЯ При выращивании лесных культур необходимым является агротехнический уход за ними, который проводится в целях предотвращения зарастания поверхности почвы сорной травянистой и древесно-кустарниковой растительностью, накопления влаги в почве и т. п. Для механизации агротехнических уходов за культурами на вырубках в настоящее время применяются различные средства механизации, такие как дисковые орудия, фрезерные машины, тракторные кусторезы и др.

В существующих кусторезах, в частности осветлителе цепном ОЦ-2,3, в качестве рубящих органов применяют обычные цепи. При этом кусторез обладает высокой энергоемкостью, так как цепь ударяет по ветвям и ломает их, не перерезая. А применение ненадежной конструкции предохранительного устройства ведет к поломкам рабочих органов и приводов машин [1].

Ранее нами разработана новая конструкция рабочих органов кустореза [2, 3], в которой вместо цепей используются массивные ножи, имеющие шесть режущих дугообразных кромок, соединенных скобами, и в целом образующие аналог цепи. Барабан кустореза состоит из двух подпружиненных между собой частей, одна из которых подвижна в подшипнике вдоль оси вала и ведущего диска, выполненного на шлицевом соединении приводного вала и поджатого пружиной. Первые эксперименты в лабораторных условиях позволили убедиться в высокой эффективности предложенного кустореза.

Для определения оптимальных конструктивных и эксплуатационных параметров рабочих органов новой конструкции изготовлена лабораторная установка (рис. 1).

конструкция кусторез цепной барабан.

Рис. 1 Установка для лабораторного исследования кустореза новой конструкции: 1 — рама; 2 — ценой барабан; 3 — цепи, состоящие из рубящих элементов; 4 — защитный кожух; 5 — электродвигатель привода платформы с порослевинами; 6 — тросиковый привод платформы; 7 — платформа с порослевинами; 8 — гидронасосная станция; 9 — гидромотор; 10 — ременная передача; 11 — провода от датчиков к компьютеру; 12 — ртутный токосъемник

Установка включает в себя цепной барабан, механизм привода барабана, механизм подачи, вал снятия показаний с датчиков. Цепной барабан 2, вал которого закреплен в подшипниках на раме 1, состоит из двух цепей 3, состоящих в свою очередь из рубящих элементов. Барабан кустореза приводится в движение через ременную передачу 10 от гидромотора 9 типа II М 20, питаемого от регулируемого насоса 8 типа II Д 20, который подает рабочую жидкость через трубопроводы.

Механизм подачи включает в себя подвижную платформу 7 с закрепленными на ней порослевинами, соединенную с помощью троса 6 с электродвигателем АИР 100L6Y2 5. Закрепленная поросль подается в направлении рабочего органа, вращающегося относительно неподвижно закрепленной оси. Частота вращения электродвигателя задает скорость подачи платформы, которая регулируется с помощью частотного преобразователя «CombiVario CV-7300EV» фирмы «Combarco». Показания с тензодатчиков, установленных в местах крепления цепей, снимаются через ртутный токосъемник 12 и передаются на компьютер по проводам 11.

Целью работы являлось определение на основе лабораторных экспериментов оптимальных конструктивных и эксплуатационных параметров кустореза новой конструкции.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин ВГЛТА. Перед проведением опытов были заготовлены испытуемые образцы поросли пород дуб и сосна, в учебно-опытном лесхозе ВГЛТА. Порослевины выбирались здоровые без пороков. Все опыты по удалению поросли проводились для вертикального положения порослевин.

Порядок проведения каждого опыта был следующим:

• 1. Набор порослевин, имитирующий кустарниковую поросль с определенными таксационными параметрами, жестко закреплялся в зажимном устройстве на подающей платформе.
• 2. На компьютере последовательно включались программы, считывающие и записывающие сигналы, приходящие от датчика давления и датчика силы натяжения цепи.

Включался электродвигатель насосной станции и начиналась подача рабочей жидкости в гидромагистраль, что приводило во вращение вал гидромотора с закреплённым на нем цепным барабаном.

При этом фотографировали цифровым фотоаппаратом порослевины до эксперимента, во время эксперимента и после эксперимента, одновременно записывали видеоизображение рабочей области кустореза.

Платформа с порослевинами приводилась в движение электродвигателем, и происходило перерубание порослевин.

Зависимости от времени давления и усилия на рабочем органе записывались на компьютер, начиная с холостого разгона рабочего органа, продолжая удалением порослевин и заканчивая выключением электродвигателя.

7. Выключался электродвигатель насосной гидростанции, после чего опыт повторялся заново с этими же или другими параметрами процесса, рабочего органа или набора порослевин.

Результатом каждого опыта являлись, два записанных компьютером графика P(t) и F(t), а также фотоматериалы, фиксирующие характер измельчения порослевин (для последующей оценки качества удаления).

Для минимизации количества экспериментов было выполнено планирование экспериментального исследования [4, 5]. Наиболее важными параметрами кустореза являются: частота вращения цепного барбаана щ₀, скорость подачи порослевин v_x, и просвет между цепями барабана и уровнем почвы h_Б. Наиболее важными показателями эффективности кустореза являются: l_Щ — средняя длина щепы; h_П — средняя высота остатков порослевин; N — потребляемая кусторезом мощность. Таким образом, экспериментальная задача оптимизации формулируется следующим образом [4]:

Результаты трехфакторного экспериментального исследования, в соответствии с матрицей планирования, представлены в табл. 1.

Табл. 1

Результаты оптимизационного экспериментального исследования.

По полученным результатам найдены аналитические выражения критериев l_Щ, h_П, N от факторов щ₀, v_x, h_Б в виде полиномов второго порядка. Для аппроксимации был использован метод наименьших квадратов в математическом пакете MathCAD 2000 и получены следующие выражения [5, 6]:

l_Щ(щ₀, v_x, h_Б) = 0,707 щ₀² + 6,699 v_x² + 0,087 h_Б² + 0,139 щ₀•v_x +.

+ 0,042 щ₀•h_Б + 0,417 v_x•h_Б — 19,703 щ₀ — 9,36 v_x — 1,784 h_Б + 149,02;

h_П(щ₀, v_x, h_Б) = 1,210 щ₀² + 22,41 v_x² + 0,204 h_Б² — 0,056 щ₀•v_x ;

• — 8,333•10-³ щ₀•h_Б — 0,194 v_x•h_Б — 29,232 щ₀ — 24,637 v_x —
• — 3,383 h_Б + 200,25;

N(щ₀, v_x, h_Б) = 0,137 щ₀² + 14,69 v_x² + 0,207 h_Б² — 0,014 щ₀•v_x +.

+ 0,018 щ₀•h_Б — 0,014 v_x•h_Б — 1,903 щ₀ — 12,19 v_x — 5,179 h_Б + 42,13.

Для проверки адекватности описания данными формулами исследуемых зависимостей использовали критерий Фишера [7]. С помощью полученных функций l_Щ(щ₀, v_x, h_Б), h_П(щ₀, v_x, h_Б), N(щ₀, v_x, h_Б) можно прогнозировать эффективность работы предлагаемого кустореза в зависимости от его параметров щ₀, v_x, h_Б.

Для анализа полученных зависимостей изобразим их графически. Функции трех переменных графически можно представить своеобразными «срезами»: то есть графиками функций двух переменных при условии, что третья переменная имеет постоянное (центральное) значение (рис. 2). На данном рисунке поверхности отклика изображены линиями уровня функций и затемнены оптимальные области факторного пространства. В качестве границ оптимальных областей выбраны следующие изолинии: l_Щ = 20 см, h_П = 10 см, N = 5 кВт.

Проанализируем, как влияют параметры щ₀, v_x и h_Б на среднюю длину фрагментов порослевин l_Щ (рис. 2 а-в). Параметры v_x и h_Б примерно одинаково влияют на среднюю длину фрагментов: с увеличением данных параметров длина l_Щ увеличивается. Однако зависимость от этих параметров довольно слабая. Гораздо сильнее влияет параметр щ₀: при увеличении частоты вращения цепного барабана размер щеп существенно уменьшается. Анализируя положение оптимальных (затененных) областей на рис. 2 а-в, можно рекомендовать следующие оптимальные диапазоны факторов: щ₀ более 10 об/с; v_x менее 0,9 м/с; h_Б менее 12 см.

Рис. 2 Оптимальные области на экспериментальных зависимостях, представленных в виде линий уровня

Далее рассмотрим влияние параметров щ₀, v_x и h_Б на среднюю высоту остатков порослевин h_П (рис. 2 г-е). На соответствующих поверхностях отклика наблюдаются четкие минимумы при определенных наборах факторов, а при уменьшении и увеличении факторов к границам их диапазонов, показатель h_П ухудшается. Анализируя положение оптимальных областей на рис. 2 г-е, приходим к выводу, что оптимальные диапазоны факторов следующие: щ₀ от 10 до 14 об/с; v_x от 0,3 до 0,9 м/с; h_Б от 6 до 12 см.

Анализ влияния параметров щ₀, v_x и h_Б на среднюю потребляемую кусторезом мощность N (рис. 2 ж-и) показал, что с увеличением каждого из кинематических параметров щ₀ и v_x потребляемая кустрезом мощность увеличивается приблизительно по квадратичному закону. С увеличением же h_Б потребляемая мощность уменьшается. Сопоставляя положение оптимальных областей на рис. 2 ж-и, можно сделать вывод, что оптимальные диапазоны факторов следующие: щ₀ от 5 до 10 об/с; v_x от 0,2 до 0,7 м/с; h_Б от 9 до 13 см.

Таким образом, по результатам экспериментального исследованияможно рекомендовать следующие параметры кустореза новой конструкции. Частота вращения барабана кустореза должна составлять около 10 об/с. При меньшей частоте вращения барабана снижается качество удаления поросли, а при большей частоте вращения резко растет потребляемая кусторезом мощность. Скорость движения кустореза должна составлять 0,3… 0,7 м/с. При меньшей скорости движения кустореза ухудшается качество удаления поросли, при большей скорости — растет потребляемая кусторезом мощность. Оптимальный просвет между уровнем почвы и вращающимися цепями должен составлять 9… 12 см.

• 1. Бартенев И. М. Гидроманипуляторы и лесное технологическое оборудование / И. М. Бартенев, З. К. Емтыль, А. П. Татаренко, М. В. Драпалюк, П. И. Попиков, Л. Д. Бухтояров. М.: ФЛИНТА: Наука, 2011. 408 с.
• 2. Заявка № 2 008 142 814/12 на патент «Кусторез». Драпалюк М. В., Полев В. С. Опубл. БИПМ № 13 (1 ч.) 10.05.2010. С. 7.
• 3. Полев В. С., Драпалюк М. В. Моделирование рубящих элементов цепного кустореза // Лесной журнал, 2010. № 6. С. 94−98.
• 4. Федоров В. В. Теория оптимального эксперимента. М.: ГРФМЛ изд-ва Наука, 1971. 312 с.
• 5. Финни Д.

  Введение

  в теорию планирования экспериментов. М.: ГРФМЛ изд-ва Наука, 1970. 287 с.

• 6. Горский В. Г., Адлер Ю. П., Талалай А. М. Планирование промышленных экспериментов (модели динамики): учеб. пособие. М.: Металлургия, 1978. 288 с.
• 7. Грановский, В. А., Сирая Т. Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях: учеб. пособие. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. 288 с.