Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Платонова Марина Алексеевна
Обоснование параметров вибрационного рабочего
органа машины для подрезки корней сеянцев
в лесных питомниках
05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок
и лесного хозяйства
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Воронеж - 2012
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: доктор технических наук, профессор кафедры производства, ремонта и эксплуатации машин ФГБОУ ВПО Воронежская государственная лесотехническая академия Сушков Сергей Иванович
кандидат технических наук, ведущий инженер ООО Лигнум Беликов Евгений Владимирович
Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский ордена Трудового Красного Знамени институт лесоводства и механизации лесного хозяйства (ФБУ ВНИИЛМ)
Защита диссертации состоится л22 мая 2012 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д212.034.02 при Воронежской государственной лесотехнической академии (394087, 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:
Автореферат разослан л20 апреля 2012 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета Скрыпников А.В.
Общая характеристика работы
Актуальность исследования. В Концепции развития лесного хозяйства Российской Федерации отмечается, что решение проблем устойчивого развития лесного хозяйства в настоящее время предполагает обеспечение качественного воспроизводства лесных ресурсов как обязательного элемента лесопользования, а также расширение защитного лесоразведения в малолесных районах.
В связи с увеличением объёмов работ по посадке леса большое значение приобретает выращивание высококачественного посадочного материала. В соответствии с современными тенденциями лесные культуры целесообразно создавать укрупнёнными сеянцами высотой 40Е60 см.
Для получения высококачественных укрупнённых сеянцев лесных пород следует применять современные агроприёмы, позволяющие управлять ростом их отдельных частей и обеспечивать временное торможение роста надземной фитомассы. В этом случае имеется возможность получения посадочного материала с оптимальным соотношением надземной и подземной частей и хорошо развитой мочковатой корневой системой.
Одним из наиболее эффективных способов формирования у сеянцев хорошо сохраняющейся при выкопке мочковатой корневой системы является подрезка их корней в период выращивания в питомнике. Особое внимание при подрезке корневой системы необходимо уделять качеству среза корней. Существующие на сегодняшний момент корнеподрезчики не в полной мере обеспечивают качественную подрезку корней. Работа целого ряда устройств сопровождается обрывом корней, постоянным и неизбежным (вследствие особенностей работы) забиванием рабочих органов растительными остатками. Кроме того, при одновременной подрезке боковых и стержневых корней растения испытывают шоковое состояние, которое зачастую приводит к их гибели.
Таким образом, вопрос создания корнеподрезчика, позволяющего устранить существующие технологические и технические недостатки, возникающие при подрезке корней сеянцев лесных пород, является весьма актуальным. Наиболее перспективными для этой цели в настоящее время являются машины для подрезки корней сеянцев (корнеподрезчики) с вибрационным рабочим органом.
Однако, известные теоретические и экспериментальные исследования корнеподрезчиков с активным вибрационным рабочим органом недостаточно полно описывают их взаимодействие с почвой и корнями сеянцев, а также динамические составляющие процесса.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ФГБОУ ВПО ВГЛТА Совершенствование технологий, машин и оборудования лесного комплекса.
Цель и задачи исследования. Целью данного исследования является повышение эффективности процесса подрезки корней сеянцев лесных пород путём обоснования основных параметров вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней.
В соответствии с поставленной целью в данном исследовании решаются следующие задачи:
1. Обоснование способа подрезки корней сеянцев лесных пород, используемых в качестве посадочного материала при создании лесных культур.
2. Обоснование конструктивно-технологической схемы машины для подрезки корней сеянцев с активным вибрационным рабочим органом.
3. Разработка математической модели процесса взаимодействия вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней с почвой и корнями сеянцев с выявлением закономерностей влияния параметров активного рабочего органа и физико-механических свойств почвы и корней на процесс подрезки.
4. Получение экспериментальных зависимостей взаимодействия активного вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней с почвой и корнями сеянцев.
5. Определение оптимальных параметров вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней сеянцев.
Предмет и объект исследования. Объектом исследования являются конструктивно-технологическая схема машины для подрезки корней сеянцев, вибрационный рабочий орган, привод рабочего органа, корни сеянцев и почва.
Предметом исследования являются математическая модель, методы и алгоритмы поиска оптимальных конструктивно-технологических параметров машины для подрезки корней.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретические исследования базировались на математическом моделировании взаимодействия вибрационного рабочего органа корнеподрезчика с почвой и корнями сеянцев. Обоснованность и достоверность теоретических результатов обеспечиваются их сопоставлением с данными лабораторных и производственных экспериментов. Полученные данные обрабатывались с использованием программ Statistica 6.0 и Microsoft Excel.
Научная новизна результатов работы.
1. Обоснован способ подрезки корней сеянцев лесных пород, подтверждённый патентом на изобретение № 2438296, отличающийся тем, что осуществляется последовательная подрезка корней сеянцев в вертикальной и горизонтальной плоскостях прикорневого объёма почвы, при этом срок между подрезками корней составляет 10Е15 дней.
2. Обоснована конструктивно-технологическая схема машины для подрезки корней сеянцев с активным вибрационным рабочим органом, подтверждённая патентом на изобретение № 2446654, отличающаяся тем, что подрезка боковых корней сеянцев осуществляется вертикально подрезающим вибрационным рабочим органом, выполненным в виде ножей и приводимым в движение гидравлическим приводом.
3. Разработана математическая модель процесса взаимодействия вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней с почвой и корнями сеянцев, отличающаяся учётом влияния параметров активного вибрационного рабочего органа, физико-механических свойств почвы и корней сеянцев, а также инерционной составляющей процесса подрезки корней.
4. Получены закономерности взаимодействия вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней с почвой и корнями сеянцев, отличающиеся оценкой динамических факторов рабочего процесса в зависимости от различных геометрических и эксплуатационных параметров вибрационного рабочего органа.
5. Обоснованы параметры вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней сеянцев, отличающиеся оптимальными значениями, полученными по критерию силовых показателей процесса подрезки корней сеянцев.
Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Способ подрезки корней сеянцев лесных пород, подтверждённый патентом на изобретение № 2438296, позволяющий сформировать хорошо развитую, мочковатую корневую систему сеянцев и способствующий повышению однородности почвенно-корневой структуры.
2. Конструктивно-технологическая схема машины для подрезки корней с активным вибрационным рабочим органом, подтверждённая патентом на изобретение № 2446654, позволяющая повысить эффективность подрезки корней сеянцев вследствие уменьшения их повреждаемости из-за возвратно-поступательного движения подрезающего рабочего органа.
3. Математическая модель процесса взаимодействия вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней с почвой и корнями сеянцев, позволяющая описать динамику движения вибрационного рабочего органа в процессе подрезания корней.
4. Закономерности взаимодействия вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней с почвой и корнями сеянцев, позволяющие оценить динамику рабочего процесса в зависимости от различных геометрических и эксплуатационных параметров вибрационного рабочего органа.
5. Оптимальные параметры вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней сеянцев, позволяющие повысить эффективность процесса подрезки корней сеянцев вибрационным рабочим органом.
Теоретическая и практическая значимость работы. Рекомендации и алгоритмы, разработанные на основе математического моделирования, использованы в конструкторском бюро ЦОКБлесхозмаш, ООО ИНВИТРО, в ООО СТАЛЬ-СИНТЕЗ, в учебно-опытном лесхозе ФГБОУ ВПО ВГЛТА и в учебном процессе ФГБОУ ВПО Воронежская государственная лесотехническая академия при подготовке инженеров лесотехнического профиля.
Практическая значимость заключается в установлении влияния конструктивных и эксплуатационных параметров вибрационного рабочего органа на процесс подрезки корней сеянцев; получении математической модели процесса взаимодействия вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней с почвой и корнями сеянцев; разработке способа подрезки корней сеянцев лесных пород, новизна которого подтверждена патентом на изобретение № 2438296; разработке конструктивно-технологической схемы машины для подрезки корней, новизна которой подтверждена патентом на изобретение № 2446654.
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 учёных 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 (2010-2012 гг.), на конкурсе проектов молодых ученых на финансирование НИОКР по программе УМНИК Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (2009, 2010 гг.), региональной научно-практической конференций молодых ученых Наукоёмкие технологии и материалы (НТМ-2010), на Зворыкинском инновационном проекте программы Федерального агентства по делам молодежи (2011 г.), в Ухтинском государственном техническом университете (2010, 2011 гг.), Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете (2009, 2010, 2011 гг.), Вологодском государственном техническом университете (2011 г.), а также на заседаниях кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии.
Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 11 работах, включая 3 статьи в изданиях центральной печати (рекомендованных ВАК Федерального агентства по образованию РФ), 5 публикаций без соавторов и 3 патента на изобретения.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Общий объём работы составляет 204 страницы машинописного текста, включающего 174 страницы основного текста, 26 таблиц, 53 рисунка.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы и научные положения, выносимые на защиту, научная новизна выполненных исследований, их практическая значимость, результаты внедрения.
В первом разделе проведён анализ организационных и биологических основ выращивания посадочного материала, способов и технических средств, применяемых для подрезки корней сеянцев лесных пород.
Вопросами выращивания лесных пород занимались такие учёные, как М.Д. Гиряев, М.В. Драпалюк, А. В. Жигунов, В.Ф. Зинин, В.И. Казаков, И.В. Казаков, М.В. Коломинова, И.А. Маркова, Ф. М. Овчинников, В.И. Посметьев, Ф.В. Пошарников, Л.Н. Прохоров, Г. И. Редько, А. Р. Родин, С.А. Родин, Н.А. Смирнов, А.М. Цыпук, А.П. Шадрин и др.
Исследованиями резания лесных почв занимались такие учёные, как И.М. Бартенев, Е.А. Витвицкий, А.Д. Далин, Г.Б. Климов, Ю.И. Колесников, В.Д. Крыльцов, Ю.И. Полупарнев, А.Ф. Пронин, Н. Е. Резник, А.Ф. Совков и др.
Исследованиями корнеподрезчиков с активными и пассивными рабочими органами занимались такие учёные, как Г.Г. Ворожейкин, С.Г. Главацкий, О.Г. Климов, В.А. Лабзин, В.Н. Невзоров, В.С. Нестяк, С.Ф. Усольцев, В.Н. Холопов, А.Э. Эгипти и др.
Анализ существующих технологий лесовосстановления показал, что современной технологией выращивания посадочного материала предусмотрена посадка укрупнённых сеянцев высотой 40Е60 см. Однако, приживаемость крупного посадочного материала часто хуже, чем мелких сеянцев. Объясняется это тем, что при посадке укрупнённых сеянцев теряется значительная часть физиологически активных корней, играющих первостепенную роль в процессе их приживаемости в новых условиях. Эффективным способом подготовки укрупнённых сеянцев к пересадке является формирование у них компактной, хорошо сохраняющейся при выкопке, мочковатой корневой системы.
Исследование современных способов выращивания посадочного материала лесных пород выявило, что ввиду малоразвитости на территории России тепличных хозяйств по выращиванию сеянцев лесных пород с закрытой корневой системой, технология формирования у сеянцев открытой компактной и при этом мочковатой корневой системы остаётся в настоящее время весьма актуальной.
Проведённый анализ отечественных и зарубежных литературных и патентных материалов показал, что совершенствование конструкций машин для подрезки корней идёт по пути оптимизации их технологических и конструктивных параметров с учётом ресурсосберегающих технологий. При этом было установлено, что наиболее перспективными для этой цели в настоящее время являются машины для подрезки корней сеянцев (корнеподрезчики) с вибрационным рабочим органом.
Во втором разделе проведён анализ рабочего процесса подрезания корней с учётом факторов, оказывающих влияние на данный технологический процесс, обоснован способ подрезки корней сеянцев лесных пород (на который получен патент на изобретение № 2438296), разработана математическая модель, позволяющая описать динамику движения вибрационного рабочего органа корнеподрезчика в процессе подрезания корней.
Для решения задачи моделирования корнеподрезчика как механической системы был проведён анализ рабочего процесса подрезания корней с учётом факторов, оказывающих влияние на технологический процесс подрезки корней. Результаты анализа выявили, что корнеподрезчик является сложной динамической системой, состоящей из взаимодействующих между собой подсистем: базовой машины, системы управления, рабочего оборудования (импульсной системы и вибрационного рабочего органа), почвы и перерезаемых корней.
При моделировании вибрационного исполнительного органа ножевого типа принималось во внимание то, что устройства с импульсным приводом обладают большой энергией, которая реализуется в процессе резания в доли секунды на преодоление сопротивления внедрения ножа в древесину и почву. Ввиду этого, полотно ножей должно обладать необходимой устойчивостью, чтобы обеспечить требуемое качество поверхности перерезания корней. Устойчивость ножа определялась за счёт оптимального выбора его геометрических параметров (например, толщины полотна ножа) и параметров материала ножа.
Моделирование взаимодействия вибрационного исполнительного органа с корнями проводилось по схеме резания для реального ножа, режущая кромка которого ограничена некоторой криволинейной поверхностью, характеризуемой радиусом затупления (рисунок 1).
На схеме показан условный клин, воздействующий на перерезаемый корень, при этом угол заострения клиновой режущей части ножа увеличен с каждой стороны на угол трения почвы о рабочую поверхность металлического черенкового ножа.
В общем случае сила, необходимая для перерезания корня режущим инструментом, определится как:
(1)
,
где [В] - предел прочности древесины при динамическом нагружении, МПа; - радиус затупления лезвия ножа, мм; В - ширина реза, мм; fЛ - коэффициент трения между древесиной корня и лезвием ножа при импульсном резании; [СМ] - сопротивление смятию материала корня в замкнутом пространстве, МПа; fЛ1 - коэффициент трения грани клиновой части ножа о сминаемый корень; FДР П и FДР С - перерезаемая и сминаемая площади корня, мм2.
При динамическом действии возмущающей силы в материале корня возникает упругое напряжение. Превышение допустимого значения напряжения (при котором перерезается корень) происходит при достижении некоторой критической силы РК = РИЗГ К . При определении силы сопротивления корня изгибу перерезаемый корень рассматривался как стержень с защемлёнными концами, деформация изгиба стержня при этом предполагалась весьма малой. Для решения поставленной задачи использовалось приближённое дифференциальное уравнение изогнутой оси стержня (рисунок 2). Приняв за координату точки приложения нагрузки, а за величину прогиба имеем:
, (2)
где Е - модуль упругости материала древесины, МПа; J - момент инерции тела, мм4; M(x) - изгибающий момент, Нмм.
Преобразовав данное дифференциальное уравнение, получим выражение для критической силы
, Н, (3)
где lК - длина отрезаемого корня, мм.
Величина момента инерции О Jв отрезаемой части корня относительно оси OZ определялась как
, кгм2. (4)
При этом приведённая масса Мприв определяется по зависимости:
, кг, (5)
где - плотность тела корня, кг/м3; rО - радиус поперечного сечения корня в плоскости резания, м.
Моделирование взаимодействия вибрационного исполнительного органа с почвой проводилось по схеме сил, показанной на рисунке 1.
В общем случае, сила РПРп, действующая со стороны боковых поверхностей полотна ножа на деформированные (смятые) частицы почвы будет равна:
,
где fЛП - коэффициент трения между материалом полотна ножа и почвой при импульсном резании; qN - нормальное удельное давление, создаваемое частицами почвы при импульсном резании, МПа; Н - глубина подрезки корней, мм; S - ширина ножа, мм; l1 - длина режущей кромки ножа, мм.
При определении суммарных сил сопротивления перерезания почвы вибрационным исполнительным органом учитывалось сопротивление почвы смятию корнем сеянца РСМ ПК и сопротивление от прилипания почвы к поверхности ножа РПРЛ П .
Сила сопротивления от прилипания почвы к поверхности ножа определится как
, Н, (7)
где О - коэффициент касательных сил удельного прилипания при отсутствии нормального давления; FПЛ - площадь контакта поверхности ножа и почвы, м2; р - коэффициент касательных сил удельного прилипания, вызываемого нормальным давлением; N - сила нормального давления почвы на поверхность ножа, Н.
Сила сопротивления почвы смятию корнем сеянца РСМ ПК определялась как
, Н, (8)
где qСМ П - коэффициент объёмного смятия почвы, Н/мм3; VК - объём одного перерезаемого корня, мм3; к - количество перерезаемых корней.
Моделирование взаимодействия исполнительного органа и импульсной системы проводилось с учётом траектории движения подрезающего ножа, осуществляющего колебания при поступательном движении агрегата (рисунок 3).
Взаимодействие вертикально подрезающего вибрирующего ножа с грунтом и корнями зависит от соотношения поступательной скорости движения трактора Vагр и скорости колебаний подрезающего ножа VН:
, (9)
где - угол перемещения каждой точки элементарного участка ОА ножа; nН - частота колебаний ножа, Гц; Sн - амплитуда колебания лезвия ножа, мм.
При оптимальном соотношении указанных параметров будет обеспечиваться выполнение условия резания корней со скольжением:
. (10)
Вертикальные колебания ножам в корнеподрезчике придаёт эксцентрик, установленный на валу двигателя. При равномерном вращении эксцентрика с угловой скоростью относительное вертикальное перемещение любой точки А вертикально подрезающего ножа будет равно:
, мм. (11)
С учётом того, что наибольшие ускорения подрезающего органа будут наблюдаться при максимальной амплитуде колебания лезвия ножа Sн, значение силы инерции ножа, движущегося возвратно-поступательно в продольной плоскости агрегата, определялось по выражению:
Н, (12)
где относительное ускорение ножа находилось как:
, м/с2. (13)
На основании анализа математической модели взаимодействия вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней с почвой и корнями сеянцев было проведено обоснование факторов, определяющих качество подрезки корней, и динамических параметров вибрационного процесса подрезания корней. При вибрационной подрезке корней одним из факторов, определяющих качество подрезки корней, является усилие перерезания РПР, для более детального изучения которого была построена зависимость РПР = f(SН, nН). Анализ данной зависимости показывает (рисунок 4), что увеличение амплитуды колебаний лезвия ножа приводит к возрастанию величин усилия перерезания РПР.
В то же время, увеличение значений частоты колебаний ножей nН приводит к снижению усилия перерезания РПР. Таким образом, при прочих равных условиях, для обеспечения качественной подрезки корней сеянцев лесных пород целесообразно назначать минимальные амплитуды колебаний лезвия ножа при максимальных значениях частот колебаний ножей.
В целях более детального изучения динамических параметров вибрационного процесса подрезания корней были определены значения суммарного тягового сопротивления РТ, возникающего при подрезке корней сеянцев активными вибрационными рабочими органами. Для этого были построены графические зависимости, позволяющие выявить воздействия конструктивных и технологических параметров вибрационной подрезки корней на величину РТ.
Одним из таких графиков является зависимость РТ = f(), где - угол поворота эксцентрика корнеподрезчика, который сообщает подрезающим ножам возвратно- поступательное движение (рисунок 5).
Анализ данной зависимости показывает, что наибольшее влияние на величину РТ оказывает общая сила, необходимая для перерезания режущим инструментом корня и почвы РПР (77 %) и суммарные силы сопротивления перерезания корня и почвы режущим инструментом РСОПР (19 %). При угле поворота эксцентрика = 90Е2700 (максимум при = 1800) наблюдается явное возрастание тягового сопротивления РТ, что объясняется дополнительным заглублением в этот момент подрезающих ножей в почву и, как следствие, увеличением площади контакта ножей и почвы, а, следовательно, сил сопротивления РСОПР и сил пружин РПРДФ. Влияние последней составляющей (РИН Н) оказалось незначительным из-за небольшого значения принятой в данном расчёте частоты колебаний подрезающих ножей nН = 1 Гц.
| Рисунок 6 - Зависимость силы инерции ножа РИНН от угла поворота эксцентрика и частоты колебания ножа nН | Рисунок 7 - Зависимость тягового сопротивления РТ от угла поворота эксцентрика и частоты колебания ножа nН |
Однако, при рассмотрении графика поведения данной составляющей, как функции частоты колебаний подрезающих ножей nН, выяснилось, что увеличение параметра nН приводит к возрастанию абсолютных значений силы инерции ножей РИН Н при крайних положениях угла поворота эксцентрика (00, 1800, 3600), т.е. в мёртвых точках положения подрезающих ножей, когда вектор направления скорости их движения меняется на противоположный (рисунок 6). Особенное значение имеет зона поворота угла эксцентрика при = 900Е1800 и 1800Е2700, где из-за отрицательных значений ускорений ножей величины сил инерции РИН Н также принимают отрицательные значения и способствуют уменьшению общего тягового сопротивления РТ.
Уменьшение частоты колебаний подрезающих ножей nН до нулевых значений приводит к исчезновению инерционных составляющих (сил инерции ножа РИН Н и корней РИН К) и соответствующему уменьшению тягового сопротивления РТ (рисунок 7). Однако при этом корнеподрезчик лишается преимуществ, связанных с активными вибрационными рабочими органами, а суммарное тяговое сопротивление РТ с неподвижными рабочими органами оказывается (при прочих равных условиях) гораздо больше значений РТ, полученных при вибрирующих подрезающих ножах.
| Рисунок 8 - Зависимость тягового сопротивления РТ от влажности О и амплитуды колебаний лезвия ножа Sн | Рисунок 9 - Зависимость тягового сопротивления РТ от угла поворота эксцентрика и амплитуды колебаний Sн |
Одной из важных физико-механических характеристик почвы является её влажность. Повышение влажности почвы приводит к возрастанию коэффициента удельного прилипания почвы, что в свою очередь влияет на увеличение суммарного тягового сопротивления РТ (рисунок 8). Возрастание при этом амплитуды колебаний лезвия ножа Sн (с 5 до 20 мм) приводит к более резкому линейному увеличению тягового сопротивления РТ. Таким образом, при прочих равных условиях (в том числе влажности) вибрационной подрезки корней целесообразно рекомендовать небольшие амплитуды колебаний лезвия ножа Sн.
В целом, влияние амплитуды колебаний лезвия ножа Sн на суммарное тяговое сопротивление РТ при прочих равных условиях вибрационной подрезки корней является весьма неоднозначным. Увеличение амплитуды колебаний лезвия ножа Sн приводит к возрастанию тягового сопротивления РТ, особенно в зоне максимального погружения в почву вибрирующих ножей при углах = 120Е2400 (рисунок 9). При углах 1800 и амплитуде Sн =18Е20 мм значения тягового сопротивления становятся больше значений РТ для корнеподрезчиков с неподвижными рабочими органами, что указывает на необходимость ограничений максимальных амплитуд колебаний лезвия ножа Sн.
При постоянной глубине подрезки в области малых частот колебаний подрезающих ножей nН увеличение амплитуды Sн приводит к увеличению тягового сопротивления РТ (рисунок 10). С возрастанием частоты колебаний ножей до nН = 15,5Е16,5 Гц значения тягового сопротивления стабилизируются, и увеличение амплитуды Sн не приводит к возрастанию РТ. При дальнейшем увеличении частоты колебаний nН существует тенденция ко всё большему снижению силы тягового сопротивления (при возрастающих величинах амплитуды колебаний Sн).
| Рисунок 10 - Зависимость тягового сопротивления РТ от амплитуды колебаний лезвия ножа Sн и частоты колебания ножей nН | Рисунок 11 - Зависимость скорости колебаний ножей Vн от частоты колебания ножей nН и амплитуды колебаний лезвия ножа Sн |
Анализ зависимости линейной скорости вертикальных колебаний подрезающих ножей Vн от частоты их колебаний nН выявил следующее (рисунок 11). Увеличение частоты вертикальных колебаний nН во всём диапазоне приводит к линейному возрастанию скорости колебаний Vн. При этом увеличение амплитуды колебаний лезвия ножа Sн приводит к более интенсивному возрастанию скорости колебаний. Однако граничными условиями параметра Vн являются технологические скорости трактора Vагр = 1,5Е2,5 км/ч, в соответствии с которыми соотношение Vн / Vагр >1 либо вообще не выполняется при амплитуде ножа Sн 5 мм, либо выполняется частично (при Vагр = 1,5 км/ч и значениях nН 28 Гц). При амплитуде хода ножа Sн 10 мм соотношение Vн / Vагр >1 начинает выполняться при величине nН = 13Е21 Гц, а при дальнейшем увеличении амплитуды наблюдается ещё большее снижение допустимых значений nН до 5Е10 Гц.
В третьем разделе изложена программа экспериментальных исследований, применяемое оборудование и методика проведения исследований.
Разработанная лабораторная установка была смонтирована на передвижной тележке почвенного канала ВГЛТА. Её основными узлами (рисунок 12) являются рама навески 1, два опорных колеса 2, тензометрическая навеска для исследования тягового сопротивления 3, корнеподрезающий узел 4, сменные рабочие органы 5, опорная площадка электродвигателя 6, электродвигатель 7, сменный эксцентрик 8.
В качестве тензометрического звена для замера тягового сопротивления использовался S-образный датчик веса ZFА 500 производства компании Scaime.
В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований, а также результаты их статистической обработки. Пример экспериментальной зависимости тягового сопротивления Рт как функции времени t приведён на рисунке 13, пример гистограммы распределения значений тягового сопротивления приведён на рисунке 14.
Рисунок 12 - Экспериментальная установка по вибрационной подрезке корней
В целом, обработка результатов экспериментальных исследований выявила, что в подавляющем большинстве случаев варьирование экспериментальных значений тягового сопротивления является малым (величина коэффициента вариации < 10%), полученные распределения соответствуют закону нормального распределения при значениях критического уровня значимости р > [р] = 0,2. Проведённый корреляционный и регрессионный анализ выявил, что полученные уравнения регрессии являются статистически значимыми при значениях коэффициентов корреляции 0,87Е0,98.
В пятом разделе определена технико-экономическая эффективность экспериментального образца корнеподрезчика, даётся описание конструктивно-технологической схемы машины для подрезки корней сеянцев лесных пород и экономическая оценка эффективности её работы.
Производственная проверка работоспособности экспериментального образца корнеподрезчика на базе трактора ЛТЗ-60А, проведённая в Учебно-опытном лесхозе ВГЛТА Правобережного лесничества (рисунок 15), показала, что производительность экспериментального корнеподрезчика за 1 час сменного времени составила 0,022 га.
Рисунок 15 - Экспериментальный образец машины для подрезки корней сеянцев
во время проведения полевых испытаний
Машина для подрезки корней сеянцев лесных пород (новизна которой подтверждена патентом № 2446654) включает в себя (рисунок 16) трёхточечную навеску 9, к которой при помощи кронштейна 6 крепится корпус корнеподрезающего узла 3. Основной частью корпуса корнеподрезающего узла 3 являются направляющие. Внутри направляющих установлены втулки 2 с антифрикционным слоем на основе фторопласта-КV и ползуны 1.
В нижней части ползунов прикреплены вертикально подрезающие ножи 5, обеспечивающие подрезание боковых корней сеянцев. Количество ножей и расстояние между ними было рассчитано таким образом, чтобы обеспечить 5-ти рядную схему посадки сеянцев с расстоянием между рядами в ленте 252 см.
Для обеспечения возвратно- поступательного движения ползунов с прикреплёнными к ним ножами на навеске 9 установлена опорная площадка 7 для регулируемого по частоте вращения гидромотора 10. На валу гидромотора устанавливается сменный эксцентрик 12. Вращение, сообщаемое валом гидромотора эксцентрику, передаётся на подшипниковую опору 8, основной частью которой является шариковый радиальный двухрядный сферический подшипник № 971802 с двумя защитными шайбами. Для обеспечения силового замыкания кинематической пары эксцентрик-подшипник в конструкции корнеподрезающего узла предусмотрены два пружинных блока 4. Для уменьшения вибрации гидромотора 10 при работе корнеподрезчика предусмотрена прижимная скоба 11, дополнительно прикрепляющая гидромотор к опорной площадке 7. Для проведения горизонтальной подрезки корней вместо ползунов в направляющих устанавливаются горизонтально подрезающие Г-образные скобы, приводимые в движение гидравлическим вибратором (новизна которого подтверждена патентом № 2433001), устанавливаемого вместо гидромотора.
Экономический эффект от применения машины для подрезки корней сеянцев в агрегате с трактором ЛТЗ-60А составляет 15517,24 р. при сроке окупаемости 2,9 года.
Общие выводы и рекомендации
1. На основании анализа современных способов и технических средств, применяемых для подрезки корней сеянцев лесных пород, установлено, что наиболее перспективными техническими средствами являются машины для подрезки корней сеянцев с активными вибрационными рабочими органами, обеспечивающими более высокое качество подрезки корней.
2. Обоснованный способ подрезки корней сеянцев лесных пород, новизна которого подтверждена патентом на изобретение № 2438296, способствует более интенсивному развитию боковых корней сеянцев, что приводит к увеличению массы корневой системы и повышению однородности почвенно-корневой структуры. Достигается это последовательной подрезкой корней сеянцев в вертикальной и горизонтальной плоскостях прикорневого объёма почвы, при этом срок между подрезками корней составляет 10Е15 дней. Данный способ уменьшает вероятность отпада сеянцев после подрезки их корневой системы, а также исключает необходимость пересадки сеянцев в школьное отделение.
3. Разработанная конструктивно-технологическая схема машины для подрезки корней сеянцев с активным вибрационным рабочим органом, новизна которой подтверждена патентом на изобретение № 2446654, позволяет повысить эффективность подрезки корней сеянцев благодаря уменьшению их повреждаемости из-за возвратно-поступательного движения вертикально подрезающего вибрационного рабочего органа, выполненного в виде ножей и приводимого в движение гидравлическим приводом.
4. Для обеспечения качественной подрезки корней сеянцев лесных пород целесообразно назначать минимальные амплитуды колебаний лезвия ножа при максимальных значениях частот колебаний ножей.
5. На основе многофакторной оптимизации технологического процесса подрезки корней сеянцев лесных пород установлено, что при рекомендуемой глубине подрезки 80Е150 мм оптимальная амплитуда колебаний лезвий подрезающих ножей составляет 10Е15 мм при допустимых значениях скоростей трактора 2Е2,5 км/ч, частоте вертикальных колебаний подрезающих ножей 16,5Е25 Гц и влажности почвы 8Е10%.
6. При значении скорости трактора 1,5Е2 км/ч возможно назначение частоты вертикальных колебаний подрезающих ножей nН = 13Е21 Гц, а при увеличении амплитуды хода ножа до значений Sн =15Е20 мм - частоты nН = 5Е10 Гц.
7. При повышении влажности почвы амплитуду колебания лезвия ножа желательно принимать минимальной (5Е7 мм). При этом для обеспечения подрезания корней со скольжением целесообразно уменьшить скорость трактора до 1,5 км/ч при одновременном увеличении частоты вертикальных колебаний ножей до 30 Гц.
8. Экономический эффект от внедрения машины для подрезки корней составляет 15517,24 рублей при сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений 2,9 года.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Печатные работы, опубликованные в изданиях, входящие в перечень
изданий, рекомендованных ВАК к публикации при представлении
кандидатской диссертации
1. Платонова М.А. Математическая модель управления вибрационным процессом подрезания корней саженцев лесных культур / М.А. Платонова, М.В. Драпалюк // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2011. - № 10 (74). - Режим доступа: /2011/10/pdf/24.pdf
2. Платонова М.А. Обоснование динамических факторов вибрационного процесса подрезания корней сеянцев лесных культур / М.А. Платонова // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - № 04 (78). - Режим доступа:
3. Платонов А.А. Определение экономической эффективности корнеподрезчика с активными рабочими органами / А.А. Платонов, М.А. Платонова, Р.В. Юдин // Современные проблемы науки и образования [Электронный ресурс]. - М.: Академия естествознания, 2012. - № 4 (42). - Режим доступа:
Патенты
1. Способ выращивания посадочного материала: патент № 2438296 РФ: МПК A 01 G 23 / 00аа/ Драпалюк М.В., Снятков Е.В., Платонова М.А.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная лесотехническая академия - 2010112019/13; заявл. 29.03.2010; опубл. 10.01.2012.
2. Корнеподрезчик: патент № 2446654 РФ: МПК A 01 В 39 / 12 / Драпалюк М.В., Снятков Е.В., Платонова М.А., Платонов А.А.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная лесотехническая академия - 2010130440/13; заявл. 20.07.2010; опубл. 10.04.2012.
3. Гидравлический вибратор: патент № 2433001 РФ: МПК B 06 B 1 / 18аа/ Попиков П.И., Юдин Р.В., Платонова М.А., Платонов А.А.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная лесотехническая академия - 2010114610/28; заявл. 12.04.2010; опубл. 10.11.2011.
Статьи и материалы конференций
1. Платонова М.А. Анализ современных средств выращивания посадочного материала [Текст] / М.А. Платонова // Материалы научно-технической конференции (13-15 апреля 2010 г.): в 3 ч.; ч. II; Под ред. Н.Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2010. - с. 182-187.
2. Платонова М. А. К вопросу исследования подрезки корней сеянцев [Текст] / М.А. Платонова // Леса России в XXI веке. Материалы первой международной научно-практической интернет-конференции. Июль 2009 г. Под ред. авторов. - СПб.: СПбГЛТА, 2009. - с. 196-199.
3. Платонова М.А. Повышение качества и эффективности процесса подрезки корней саженцев [Текст] / М.А. Платонова // Леса России в XXI веке. Материалы пятой международной научно-практической интернет-конференции. Октябрь 2010 г. / Под ред. авторов. - СПб.: СПбГЛТА, 2010. - с. 171-174.
4. Платонова М.А. Динамическая система рабочего процесса корнеподрезчика [Текст] / М.А. Платонова // Севергеоэкотех-2011: материалы XII международной научно-технической конференции; в 5 ч.; ч.5. - Ухта: УГТУ, 2011. - с. 72-76.
5. Платонова М.А. Кинематические и динамические факторы вибрационного процесса подрезания корней [Текст] / М.А. Платонова, А.А. Платонов // Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка: материалы Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. - СПб.: СПбГЛТУ, 2011. - с. 109-114.
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, учёному секретарю.
Тел. 8-473-253-74-18, факс 8-473-253-74-18.
Платонова Марина Алексеевна
Обоснование параметров вибрационного
рабочего органа МАшины для подрезки корней сеянцев
в лесных питомниках
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Подписано к печати 15.04.2012 г. Заказ №
Объем 1,0 усл. п. л. Тир. 100 экз.
Отпечатано в УОП ФГБОУ ВПО ВГЛТА
394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям