Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

АЛЯБЬЕВ  АЛЕКСЕЙ  ФЁДОРОВИЧ

оценка эффективности технологических комплексов машин и создание новых средств механизации

для лесовосстановления

Специальность 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок

и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

МОСКВА - 2011

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении

высшего профессионального образования

Московский государственный университет леса

Научный консультант: доктор технических  наук, профессор

Винокуров Василий Николаевич

Официальные оппоненты:        доктор технических наук, профессор

Карпачев Сергей Петрович

доктор технических наук, профессор

Ширнин Юрий Александрович

доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Сидоров Сергей Алексеевич

Ведущая организация: государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная лесотехническая академия

Защита диссертации состоится 16 сентября в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.146.03 при Московском государственном университете леса по адресу: 141005, г. Мытищи-5, Московской обл., 1-я Институтская ,1, МГУЛ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московский государственный университет леса.

Автореферат разослан л____ ______________ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор                                        Б.М. Рыбин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Постоянное, неистощительное пользование лесами возможно только при своевременном и качественном их восстановлении. В последние годы площади вырубленных, погибших и повреждённых лесов непрерывно увеличиваются, а объёмы искусственного возобновления лесов недостаточны, что приводит к зарастанию площадей древесной порослью малоценных пород, и, как следствие, к неоптимальной структуре лесного фонда. В настоящее время доступный для лесовосстановления лесокультурный фонд составляет более 750 тыс. га.

Решающее значение для обеспечения качественного лесовосстановления имеет степень оснащения предприятий современными машинами и механизмами. Созданные ранее технологические комплексы не везде обеспечивают производство лесных культур при затратах, позволяющих вести лесное хозяйство в современных условиях. Технологические комплексы нуждаются в совершенствовании и пополнении новыми эффективными средствами механизации. Ввиду большого разнообразия лесорастительных условий и условий ведения лесного хозяйства при выборе технологий и комплекса машин необходимо иметь экономически обоснованные рекомендации, учитывающие эти особенности.

Многообразие лесорастительных условий при создании лесных культур сводится к многообразию типов посадочных мест, которые формируются при обработке почвы. Созданные почвообрабатывающие машины базируются в основном на исследованиях, проведённых применительно к почвообрабатывающим машинам сельскохозяйственного назначения. При создании новых орудий для подготовки посадочных мест под культуры требуется проведение исследований по взаимодействию рабочих органов различных типов с лесными почвами.

Из-за отсутствия необходимых средств механизации особенно остро проблема лесовосстановления имеет место на горных склонах. В этих условиях процесс террасирования необходимо сочетать с корчёвкой пней и расчисткой от порубочных остатков.

Таким образом, из-за отсутствия современных средств механизации проблема лесовосстановления как в равнинных, так и в горных условиях является весьма актуальной.

Целью исследования является оценка эффективности технологических комплексов машин и разработка новых машин, реализующих эффективные технологии лесовосстановления.

Объектами исследований являются технологические комплексы машин, процессы обработки почвы, расчистки вырубок, корчёвки пней.

Предметом исследований являются рабочие органы для обработки почвы, расчистки вырубки, корчёвки пней.

Методы исследования. Применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. В основу теоретических исследований положены анализ приведённых затрат при использовании технологических комплексов машин, математическое моделирование процессов взаимодействия почвы с передней и задней поверхностями двугранного клина, цилиндрическим отвалом, процессов взаимодействия рабочих органов для расчистки вырубок с порубочными остатками и микропрофилем вырубки, методы математического анализа, статики сыпучей среды, сопротивления материалов, теории упругости, теории вероятности, теории случайных процессов. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и полевых условиях с использованием стандартных и разработанных автором методик с применением стандартных приёмов математической статистики. Обработка результатов исследований производилась с использованием стандартных и специально разработанных автором программ на базе компьютерной техники.

Научная новизна работы. Решена проблема обоснования технологических комплексов машин на основе разработанной методики оценки эффективности технологических комплексов машин. Выполненные исследования по взаимодействию двугранного клина с почвой позволили обосновать экономически эффективный технологический комплекс машин и разработать методы расчёта параметров специализированных почвообрабатывающих рабочих органов. Получены математические модели, описывающие взаимодействие двугранного клина и цилиндрического отвала с почвой, формирование призмы волочения при работе на расчистке вырубки, взаимодействие рабочих органов для расчистки с микропрофилем вырубки. Модели позволяют определять характер взаимодействия двугранного клина с почвой, размеры элемента пласта, возникающие усилия, траекторию движения рабочих органов в зависимости от физико-механических свойств почвы, параметров двугранного клина, отвала и глубины резания, силовые и качественные характеристики процесса расчистки в зависимости от параметров рабочего органа и микропрофиля вырубки. Особенностью разработанных математических моделей является отсутствие эмпирических коэффициентов. Получены экспериментальные зависимости, с помощью которых определен тип рабочего органа для корчёвки пней.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена достаточным объёмом лабораторных и полевых исследований, производственной проверкой параметров разработанных рабочих органов машин, а также достаточно высокой сходимостью теоретических и экспериментальных данных.

Практическая ценность. Создано новое почвообрабатывающее орудие для дискретной обработки почвы ОДП-0,6, которое прошло производственную проверку в Сергиево-Посадском опытном лесхозе Московской области и Вышневолоцском лесхозе Тверской области. Разработано оборудование для расчистки полос, корчёвки и террасирования ОКТ-3, которое прошло производственную проверку в Псебайском лесокомбинате Краснодарского края, Майкопском лесокомбинате и Краснооктябрьском спецсемлесхозе Республики Адыгея. По результатам приёмочных испытаний орудие ОДП-0,6 и оборудование ОКТ-3 рекомендованы к серийному производству. Результаты исследований реализованы в технических заданиях на разработку опытных образцов и использованы Центральным опытно-конструкторским бюро лесохозяйственного машиностроения при изготовлении опытных образцов.

Результаты исследований используются в учебном процессе МГУ леса при изучении дисциплин Машины и механизмы, Система машин в лесном хозяйстве.

Исследования и разработка орудия для дискретной обработки почвы выполнены в соответствии с тематическим планом работы ВНИИЛМ на 1996 - 2000 гг. по теме 4.2.2, на 2001 - 2002 гг. по теме 3.11/2, на 2003 г. по теме 3.5, на 2004 - 2005 гг. по теме Экспериментальные и опытные образцы машин и механизмов для проведения лесохозяйственных работ и тушения лесных пожаров, раздел 2. Исследования и разработка оборудования для расчистки вырубок, корчёвки пней и террасирования выполнены в соответствии с тематическим планом работы ВНИИЛМ на 1985 - 1986 гг. по темам IV.4.2.1 и IV.4.2.2, на 1986 - 1988 гг. по теме 1.5.2.2.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика оценки эффективности технологических комплексов машин.

2. Новые технологические комплексы машин и средства механизации для лесовосстановления на вырубках.

3. Математическая модель образования пласта при резании почвы двугранным клином.

4. Модель взаимодействия пласта с отвалом.

5. Модель работы агрегата на подготовительных работах при лесовосстановлении в горах.

6. Результаты экспериментальных исследований процесса образования пласта и работы агрегата на подготовительных работах при лесовосстановлении в горах.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и одобрены: на международных научно-практических конференциях (г. Воронеж 1998, 1999, 2009), на Всесоюзной научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и специалистов отрасли (Пушкино, 1990), на научно-практической конференции (Пушкино, 2000), на координационном совещании по системе технологий и машин (Пушкино, 2000), на заседаниях Учёного совета ВНИИЛМ (1982Е2006), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ (1993Е2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 работ общим объёмом 75 п.л., включая 1 монографию, 1 справочник, 21 авторское свидетельство и патент на изобретение. Лично автором опубликовано 17 работ общим объёмом 20,8 п.л.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, девяти глав, заключения, библиографического списка, 20 приложений. Основная часть содержит 315 страниц машинописного текста, 121 рисунок, 53 таблицы. Библиографический список включает 196 источников, в том числе 16 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы их цель и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе Состояние проблемы и задачи исследования проведен анализ технологических операций и технических средств для выполнения работ по лесовосстановлению, рассмотрены особенности искусственного  лесовосстановления на склонах, выполнен анализ исследований по взаимодействию рабочих органов различных типов с почвой, порубочными остатками, пнями.

Большой вклад в создание лесохозяйственных машин внесли М.П. Албяков, И.М. Зима, Т.Т. Малюгин, Г.А. Ларюхин, В.В Чернышев, П.П. Корниенко, Ю.М. Сериков, Г.Б. Климов, А.Б. Клячко, П.С. Нартов, В.С. Давиденко, А.И. Шадрин, Ю.М. Жданов, И.М. Бартенев, В.Н. Винокуров, Л.Н. Прохоров, В.И. Казаков, В.В. Цыплаков, Л.Т. Свиридов, Ф.В. Пошарников, П.И. Попиков, А.М. Цыпук, В.В. Морозов, П.М. Мазуркин, В.Н. Галанов и др.

Вопросами технологии лесовосстановления в различных лесорастительных зонах занимались Г.Ф. Морозов, А.В. Побединский, А.И. Писаренко, В.В Миронов, Н.П. Калиниченко, И.А. Маркова, Н.А. Смирнов, А.Р. Родин, С.А. Родин, В.И. Суворов, В.И. Обыдёнников, И.И. Дроздов, Л.Е. Годнев, Е.М. Антонов и др. Выполненные исследования обосновывают технологии работ по лесовосстановлению, формируют требования к выполнению технологических операций. В частности комбинированное посадочное место площадка-пласт может быть использовано в большинстве лесорастительных условий, где применяется искусственное лесовосстановление. Результаты исследований полны и подтверждаются многолетним опытом ведения лесного хозяйства.

Исследования по созданию машин для расчистки вырубок и корчёвки пней проводили В.П. Горячкин, А.В. Верховский, М.П. Албяков, В.Н. Галанов, С.В. Новиков, А.Н. Толмачев, Э.И. Махлин, А.И. Шекель и др. Анализ работ показал, что корчующее усилие зависит от типа рабочего органа и тягового средства. Параметры рабочих органов для расчистки вырубок определялись исходя из условия работы на полосной расчистке, где основным требованием является наиболее быстрый сход порубочных остатков и отсутствие призмы волочения.

Разработкой и совершенствованием лесных почвообрабатывающих машин и орудий занимались Курушин Ф.М., П.С. Нартов, П.П. Корниенко, И.М. Бартенев, Ю.И. Колесников, В.И. Казаков, А.М. Цыпук, М.В. Драпалюк, Е.В. Ерёмин, В.Ф. Быков, В.В. Асанов, М.Г. Виляцер и др. Основное направление работ - это исследование работы плугов (как лемешных, так и дисковых) и фрезерных машин в условиях вырубок. Исследования по взаимодействию почвы с рабочими органами различных типов проводило большое количество учёных. Исследованиями плугов занимались В.П.Горячкин, Л.В. Гячев, Г.Н.Синеоков, И.М.Панов, М.Е. Мацепуро, Е.П. Огрызков, С.А. Сидоров и др. Землеройные рабочие органы исследовали А.Н. Зеленин, Ю.А. Ветров, И.А. Недорезов, Д.И. Федоров, В.И. Баловнев, Л.В. Красильников и др. Несмотря на глубину и масштабность исследований, выполненных в проанализированных работах, их нельзя полностью применить для создания почвообрабатывающих орудий для работы на вырубках с количеством пней более 600 шт./га без проведения подготовительных работ. В то же время, анализ методов статики сыпучей среды (В.В. Соколовский) и механики грунтов (Н.А. Цитович, Н.Н. Маслов) показывает перспективность их использования в разработке методов расчёта параметров лесохозяйственных почвообрабатывающих орудий.

Разработкой и совершенствованием посадочных машин занимались И.М. Лабунский, М.И. Чашкин, А.Н. Недашковский, В.И. Забалуев, В.В. Чернышев, В.С. Давиденко, И.М. Бартенев, Л.И. Тимченко, В.А. Соловьёв и др. Выполненные исследования и разработанные по их результатам технические средства используются на вырубках с небольшим (до 500 шт./га) количеством пней или с большим количеством пней после проведения подготовительных работ. Без проведения подготовительных работ на посадке используется ручной инструмент: посадочные мечи, трубы, лопаты.

Исследования по созданию машин для ухода за лесными культурами проводили В.П. Мореев, В.Н. Галанов, А.А. Котов и др. Исследования достаточно полны и охватывают как механический, так и химический способы ухода.

Разработкой технических средств для работы на овражно-балочных и горных склонах занимались Ю.М. Сериков, М.С. Хоменко, В.Я. Зельцер, В.И. Никитин, В.Ф. Зинин, В.В. Постников, В.Т. Дёгтев, Д.А. Клячко. Однако их исследования относятся к выполнению работ на безлесных склонах, что несколько отличается от условий работы на вырубках в горах. Здесь выполнение работ по террасированию необходимо совмещать с корчёвкой пней и расчисткой.

Оценка экономической эффективности комплексов машин осуществляется на основании ГОСТ 23728 - ГОСТ 23730-88, ОСТ 10 2.18-2001. Исследованиями экономической эффективности комплексов машин при выполнении лесохозяйственных работ занимались С.Н. Бастрыкин, О.Г. Климов, В.Д. Димитров, А.Б. Золотницкий и др. Эти методики не учитывают такие особенности современной экономики как множественность размеров хозяйств, осуществляющих работу по лесовосстановлению, разную стоимость ресурсов в регионах, достаточно быструю изменчивость стоимости ресурсов во времени. Это делает результаты оценки статичными, привязанными к определённому размеру хозяйства, к определённому месту и времени.

Анализ вышеприведённых исследований показывает невозможность применения в полной мере их результатов при оценке эффективности технологических комплексов, разработке технических средств для лесовосстановления.

На основании анализа состояния проблемы определены следующие задачи исследований:

1. Разработка методики оценки технологических комплексов машин.

2. Обоснование технологических схем новых технических средств.

3. Теоретические исследования процесса взаимодействия рабочих органов и агрегата с почвой, порубочными остатками, пнями.

4. Экспериментальные исследование процесса взаимодействия рабочих органов и агрегата с почвой, порубочными остатками, пнями, установление соответствия теоретических положений экспериментальным данным.

5. Определение качественных и технико-экономических показателей работы технических средств и оценка их эффективности.

Во второй главе Оценка эффективности технологических комплексов машин для лесовосстановления проведено обоснование технологических комплексов машин, обеспечивающих реализацию малозатратных технологий лесовосстановления.

Рассмотрены технологические комплексы машин для лесовосстановления на тракторопроходимых, свежих вырубках лесной зоны с дренированными и влажными почвами с количеством пней до 800 шт./га. Технологический комплекс определяется типом посадочного места и способом обработки почвы.

При рассмотрении технологических комплексов нами используется понятие типа технических средств, под которым будем понимать группу технических средств, имеющих одинаковое назначение, условия применения и один тип рабочего органа, агрегатируемых с тракторами одного типа и одного класса тяги. В состав технологического комплекса включены типы технических средств, которые реализуют рекомендуемую для данных лесорастительных условий технологию.

Основным показателем оценки эффективности работы технических средств в лесном и сельском хозяйстве служит годовой приведенный экономический эффект. Определим приведённые затраты при выполнении технологическим комплексом максимально возможного за лесокультурный сезон объёма работ. При этом под технологическим комплексом будем понимать минимальный набор машин, необходимый для реализации заданной технологии.

Годовая производительность агрегата Wi (га/год) на i-ой операции определится по формуле

,                               (1)

где ti - годовая загрузка агрегата на i-ой операции, смен/год; S - площадь вырубки, га; b - расстояние между проходами агрегата на этой операции, определяется выбранной технологией лесовосстановления, м; tm - время переезда с одной вырубки на другую, смен, Vсмi - сменная производительность, км/смену.

Годовая производительность базовой операции Wб определяет годовую производительность технологического комплекса Q и задает объем выполняемых работ для всех операций

Q=Wб .

Рассмотрим формирование технологических комплексов двумя способами. Первый. В хозяйстве имеется одно тяговое средство (трактор). Оно комплектуется необходимым набором техническим средств. Второй. Комплектование технологического комплекса проводится по базовой операции. Технологический комплекс может включать несколько тяговых средств, комплектов машин и орудий. При этом базовая операция, определяющая производительность технологического комплекса, выполняется одним тяговым средством.

Приведенные затраты определяют по формуле:

,

где З - приведенные затраты; С - себестоимость (текущие затраты) продукции или работ; К - капитальные вложения; Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.

Для приведения формулы к удобному виду сделаем несколько допущений.

1. Затраты на оплату труда одинаковы для всех рабочих и равны средней величине Стр.

2. Стоимость технического средства, в том числе тракторов, лесохозяйственных машин и орудий, Цмi равна:

,

где mмi - масса технического средства, кг; Смi - стоимость одного килограмма массы технического средства, руб./кг.

3. Стоимость одного килограмма массы тракторов и орудий равны:

.

4. Примем суммарное значение амортизационных и ремонтных отчислений для тракторов, машин и орудий, работающих в лесу, одинаковыми: .

Используя сделанные допущения и выполнив преобразования, получим:

,                               (2)

где Атр - удельные затраты труда; Ам - показатель, характеризующий материалоёмкость технологического комплекса,

;

M - металлоемкость технологического комплекса; mк - масса технологического комплекса, приходящаяся на 1 га; Агсм - показатель, характеризующий энергоёмкость технологического комплекса,

;

EгаЦ удельные энергозатраты при выполнении механизированных работ технологическим комплексом; q - удельный расход топлива; Сгсм - стоимость горюче-смазочных материалов.

Соотношение (2) можно рассматривать как скалярное произведение вектора , характеризующего стоимость ресурсов, и вектора , характеризующего технологический комплекс в части потребления ресурсов. - const для конкретного технологического комплекса.

Показатели стоимости ресурсов (вектор ) различны в разных регионах и изменяются с течением времени. Они могут изменяться в широком диапазоне. Ограничим область их изменения. Для этого перейдём к относительным величинам. Разделим приведённые затраты на сумму , получим

,

где        З - относительные приведённые затраты; Стр - относительное значение стоимости рабочей силы; См - относительное значение стоимости технических средств; Сгсм - относительное значение стоимости энергоносителей (горюче-смазочных материалов).

Очевидно,

Таким образом, областью значений относительных показателей стоимости ресурсов будет треугольник.

На рис. 1 приведёна зависимость минимальных относительных приведённых затрат З от значений Стр, Cм, Сгсм для технологических комплексов на базе одного тягового средства для вырубок с дренированными почвами. Технологические комплексы машин с минимальными приведёнными затратами будем считать эффективными. Проекции эффективных технологических комплексов на область значений Стр, Cм, Сгсм образуют области эффективности технологических комплексов. Определив координаты, характеризующие уровень цен на ресурсы, мы узнаем, какой области эффективности технологических комплексов они принадлежат. Комплекс, области эффективности которого принадлежат координаты, характеризующие уровень цен на ресурсы, будет считаться наиболее эффективным.

Перейдём от значений стоимости ресурсов к диапазону их изменения. В результате в области значений относительных показателей стоимости ресурсов мы получим область, которая соответствует уровню цен на ресурсы (рис. 2). Эффективными (по минимуму приведённых затрат) будут те технологические комплексы машин, области эффективности которых пересекаются с областью, соответствующей уровню цен на ресурсы. Таким образом, мы дезавуировали сделанные выше допущения.

По разработанной методике рассмотрены технологические комплексы машин для дренированных и влажных почв, сформированные по базовой операции и для одного тягового средства. В результате установлено, что в лесной зоне, для сложившегося соотношения цен на ресурсы, наиболее эффективны технологические комплексы на базе колёсных тракторов класса 1,4Е2,0 и дискретной обработки почвы.

В третьей главе лФормирование технологических и конструктивных требований к процессам и машинам сформулированы технологические требования и разработаны технологические схемы орудия для дискретной обработки почвы и оборудования для террасирования, корчёвки пней и расчистки.

В основу технологических требований к орудию для дискретной обработки почвы положены данные анализа приведённых затрат: оно должно работать на вырубках без корчёвки пней и расчистки от порубочных остатков; орудие должно подготавливать комбинированное посадочное место, состоящее из микроповышения и площадки (рис. 3). В зависимости от почвенных условий угол заглубления рабочего органа должен находится в пределах 16Е23 при глубине заглубления 15Е30 см.

В результате поисковых исследований разработана технологическая схема орудия для дискретной обработки почвы (рис. 4). Оно работает следующим образом. Передняя лопасть 6, находящаяся в рабочем положении, вырезает пласт почвы. В этот период лопасть неподвижно закреплена на роторе 2. Это закрепление обеспечивает запорный механизм 3. При вырезании пласта ротор не вращается. Механизм свободного хода 5, связывающий ротор 2 с рамой 1, предотвращает поворот ротора 2 против направления движения устройства. За счет силы тяги происходит вырезание пласта с заглублением лопасти. Заглубление продолжается до тех пор, пока момент пары сил от действия силы резания и силы тяги не превысит момент пары сил от действия силы тяжести устройства и реакции почвы . Далее происходит поворот ротора. При этом происходит оборот вырезанного пласта и его прижим к почве. Формирование микроповышения заканчивается, когда следующая лопасть займет рабочее положение. В этот момент срабатывает механизм включения 4 и запорный механизм 3 отключается. Механизм подвижного закрепления лопасти 7 обеспечивает отклонение лопасти при взаимодействии с созданным микроповышением.

Таким образом, предлагается рассмотреть орудие для дискретной обработки почвы с четырьмя лучами, подвижно закреплёнными на роторе, без дополнительной опоры, без привода, без тормозного устройства, с силой сопротивления резанию как управляющее воздействие на орудие для окончания вырезания пласта.

При выборе технологической схемы оборудования для террасирования, расчистки вырубок и корчёвки пней в горах учитывались особенности рабочих органов для выполнения указанных операций.

Из условия работы на строительстве террас остановимся на отвальном типе рабочих органов. При строительстве террас наиболее перспективны секционные террасеры, у которых отвал, вырезающий основную часть грунта, вынесен вперед относительно второго, что обеспечивает снижение потребляемой мощности на 25...30%. Для качественной работы на расчистке и для меньшей утомляемости оператора проектируемое орудие должно иметь опорное устройство. Исходя из требования корчевки пней большого диаметра необходимо, чтобы орудие имело корчевальное устройство рычажного типа. Условия работы в горах требуют осуществлять корчевку пней при воздействии на него с одной стороны. Выполнение этих условий обеспечивается при корчевке пня по частям. Ориентация на скалывание объясняется минимальными энергозатратами на этот вид разрушения по сравнению с резанием пня в любых направлениях или с выдергиванием целого пня. Для эффективной корчевки пней орудию необходимо опорное устройство.

Исходя из сказанного, предложена технологическая схема оборудования для корчевки и террасирования (рис. 5). Оборудование навешивается на переднюю навесную систему трактора 1. Основной рабочий орган оборудования - отвал. Он выполнен из двух отвалов - неподвижного 2, который жестко соединен с толкающей рамой 3, и подвижного 4, шарнирно установленного на раме. Подвижный отвал снабжен раскалывающим ножом 5, подрезающим ножом 6 и зубом 7. Задний угол подвижного отвала при выровненных отвалах равен 0.

Нижний лист отвала в этом случае выполняет роль опорного устройства при расчистке. Поворачивается подвижный отвал механизмом привода 8. При корчевке пней подвижный отвал поднимается выше основного, который выполняет функцию опоры. При работе на террасировании подвижный отвал 4 вырезает грунт из-под нагорной гусеницы и перемещает его в насыпную часть террасы. Неподвижный отвал 2 производит планировку полотна террасы.

В четвертой главе Математическая модель образования пласта при резании почвы двугранным клином рассмотрено образование элемента пласта при резании почвы двугранным клином, определены зависимости размеров элемента пласта и сил, возникающих при его образовании, от свойств почвы, параметров резания и двугранного клина при постоянной глубине резания и при его заглублении, рассмотрено взаимодействие задней поверхности двугранного клина с почвой и определена траектория заглубления двугранного клина.

Используем методы статики сыпучей среды. Рассматриваем предельное равновесие элемента пласта при его взаимодействии с двугранным клином. Считаем, что двугранный клин перемещает почву перпендикулярно своей рабочей поверхности. Массу почвы не учитываем. Используем принцип линейной деформируемости.

Нормальную составляющую напряжения по поверхности контакта клина с почвой sk определяем через модуль деформации почвы E:

,

где        e - относительная деформация пласта.

При взаимодействии двугранного клина с почвой образуется область предельного равновесия AOВ (рис. 6), состоящая из трех областей: треугольник АОС, примыкающий к рабочей поверхности клина, треугольник ВОD, примыкающий к внешней границе области предельного равновесия, и соединяющий их сектор COD. С ростом длины S область предельного равновесия увеличивается. Предельное равновесие нарушится тогда, когда область предельного равновесия выйдет на дневную поверхность почвы. При этом происходит сдвиг почвы, и образуется элемент пласта. Далее процесс повторяется. Таким образом, происходит резание с образованием элемента пласта.

Определим граничные условия. Нормальные и касательные компоненты приведенного давления вдоль положительного направления оси ОХ по линии AO равны (рис. 6):

где rм - угол трения почвы о поверхность ножа, ; - угол внутреннего трения почвы; p - приведенное напряжение; HЦ временное сопротивление всестороннему равномерному растяжению; pn - нормальная составляющая приведенного напряжения p; txy - касательная составляющая приведенного напряжения p; dx - угол между нормалью к пласту и приведенным напряжением p, .

Нормальные и касательные компоненты приведенного давления вдоль контура области предельного равновесия OB равны:

Нарушение предельного равновесия приводит к выпиранию вдоль контура области предельного равновесия OB и к лоседанию массива элемента пласта вдоль положительного направления оси ОХ.

Таким образом, вдоль положительной полуоси ОХ

и при dx=0,

где s - среднее приведенное нормальное напряжение; j - угол между направлением smax и осью ОХ; smax - главный компонент напряжения в рассматриваемой точке;

.

Вдоль контура области предельного равновесия OB

Семейство характеристик, которые являются линиями скольжения, для невесомой среды описывается уравнениями статики сыпучей среды:

,                               (3)

где         - углы наклона линий скольжения к направлению smax,

Для приближенного решения заменяем дифференциалы конечными разностями

.                         (4)

Примем сетку характеристик за криволинейную систему координат на плоскости xy и будем рассматривать x, y, s, j как функции от x и h.

На рис. 7а приведена полученная область предельного равновесия АОВ. Все три области соединены в одну трёхлистную комбинированную область путём скрепления листов вдоль отрезков O1C1  и O2D1. Такая трёхлистная область может быть развёрнута в однолистную (рис. 7б).

В результате составлен алгоритм расчёта и найдено решение уравнения (4). Определены форма и размеры области предельного равновесия АОВ (рис. 8), значения s и j , а также построены семейства характеристик (линий скольжения).

Исследование построенной модели проводилось численным методом. В результате отмечены следующие особенности образования элемента пласта.

1. Элемент пласта может образовываться как от вершины двугранного клина, так и на некотором удалении от неё (рис. 8).

2. При малых углах резание происходит без образования элемента пласта.

3. При резании с постоянной глубиной или с постоянным углом заглубления, постоянных почвенных условиях и постоянных параметрах двугранного клина отношение размеров элемента пласта к глубине резания остаётся постоянным.

4. При постоянной глубине резания или при резании с постоянным углом заглубления горизонтальная и вертикальная составляющие сопротивления от образования элемента пласта, приходящиеся на единицу площади вырезаемого сечения, постоянны и не зависят от глубины резания. Таким образом, предложенная модель образования элемента пласта не противоречит эмпирической зависимости, согласно которой сила резания пропорциональна удельному сопротивлению резания и площади вырезаемого сечения.

Изменение размеров элемента пласта и сил, возникающих при его образовании, при изменении угла резания и свойств почвы определялось численными методами. Одновременно определялись угол резания 1, при котором начинается резание с образованием элемента пласта, и угол резания 2, при котором происходит переход от образования элемента пласта от вершины клина к образованию элемента пласта на некотором удалении от неё. Полученные значения аппроксимировались. Для варианта с постоянной глубиной резания получены следующие уравнения:

  (5)

,

,

где С - сцепление почвы.

Графики величин kl, имеют точку перелома при значениях 0=2. Поэтому указанные величины аппроксимировались двумя функциями. Одна для значений 1 0   2, а другая для 2 0 60. Для первого отрезка угол определяется следующей зависимостью:

.

Для второго отрезка функции имеют следующий вид:

,

Для варианта с постоянным углом заглубления получены следующие уравнения:

,

(6)

.

.

.

Приведённые уравнения имеют необходимую точность аппроксимации (среднеквадратическое отклонение аппроксимируемой величины не больше точности её измерения). Проведённый дисперсионный анализ показывает, что для 5 % уровня значимости все уравнения адекватны (расчётные значения критерия Фишера много больше табличных), а их коэффициенты значимы (расчётные значения критерия Стьюдента больше табличных).

Рассматрим заглубление двугранного клина под действием силы тяжести орудия, сил сопротивления, возникающих при образовании пласта. Будем считать, что резание осуществляется острым клином. Сила сопротивления почвы внедрению острого лезвия незначительна и мы её не учитываем.

При заглублении вершина клина производит резание, и осадка самой вершины равна нулю. При удалении от вершины по задней поверхности клина осадка растет и достигает наибольшего значения на максимальном удалении от вершины. Считаем, что задняя поверхность клина плоская и, следовательно, осадка растет линейно. В общем случае осадка двугранного клина равна сумме двух величин:

,

где        1 - осадка двугранного клина в фазе уплотнения, 2 - осадка двугранного клина в фазе сдвигов.

В фазе уплотнения будем рассматривать нашу задачу как пространственную задачу осадки упругого полупространства. Выполним построения (рис. 9). Далее решаем задачу с использованием метода стержней. Разбиваем полученную проекцию задней поверхности двугранного клина на квадраты со сторонами c. По площади квадрата принимаем нагрузку (внешнее давление) равномерно распределенной:

,

где        Xi - усилие в i-ом стержне.

Осадка в точке k от загрузки элементарной площадки du dv нагрузкой qi, согласно формуле Ж. Буссинеска, равна:

.

где uy - абсолютное значение осадки в точке M на расстоянии r от точки приложения силы P на плоскости y=0 (рис. 9); - коэффициент общей относительной поперечной деформации;

Чтобы найти осадку от нагрузки всего квадрата cc, надо дважды проинтегрировать последнее выражение:

,

Рассмотрим вариант, при котором проекция задней поверхности рабочего органа - квадрат. Разобьём построенную проекцию задней поверхности двугранного клина на 25 квадратов. Для определения двадцати пяти неизвестных усилий Xi в стержнях и перемещений клина надо составить двадцать пять канонических уравнений и одно статическое . Используя симметрию относительно оси x, уменьшаем количество уравнений до 16 (рис. 9):

.

Истинное значение осадки y0 равно:

,

а соответствующее ей изменение угла заглубления двугранного клина

.                                         (7)

Аналогично определяется угол заглубления 1 для сдвоенных лопастей и задней поверхности двугранного клина в виде прямоугольника.

Для фазы сдвигов расчётная схема представлена на рис. 10. Сумма вертикальных проекций всех сил, действующих на клин, запишется так:

,

где        b - ширина задней поверхности двугранного клина; a - длина задней поверхности клина; - задний угол клина.

Интегрируя последнее соотношение, получим:

. (8)

где hа - толщина активной зоны почвенного слоя, воспринимающего нагрузку, которая связана с размером области предельного равновесия соотношением

,                                                 (9)

где k - определяется по формуле (5), в которой угол 0 заменён на угол 2.

Подставляя (9) и (5) в (8), получим квадратное уравнение относительно 2:

,

где        ,  ,

,  .

Решение квадратного уравнения имеет один положительный корень. Вид графика зависимости изменения угла заглубления двугранного клина в почву в зависимости от вертикальной нагрузки приведён на рис. 11. Из него видно, что область предельного равновесия и, следовательно, фаза сдвигов, для рассматриваемого варианта, возникает при вертикальной нагрузке более 3,5 кН. При меньших нагрузках почва будет находиться в фазе уплотнения. Для рассмотренного варианта зависимость между Δγ2 и N в рассматриваемом диапазоне значений можно аппроксимировать полиномом второй степени:

Δγ2 = - 13,076+3,815N - 0,05517N2.

Таким образом, построена модель взаимодействия двугранного клина с почвой.

В пятой главе Модель взаимодействия пласта с отвалом рассмотрена траектория движения пласта по поверхности отвала, получено уравнение начальной кривизны пласта, рассмотрено влияние отвала на процесс образования пласта, рассмотрены силы, действующие на пласт и на отвал, определена траектория заглубления рабочего органа в виде двугранного клина с цилиндрическим отвалом.

Расчетная схема приведена на рис. 12. Секторы OAB и O1CD при бесконечно малых  значениях углов и можно рассматривать как подобные:

, (10)

Выразим радиус кривизны траектории движения пласта, толщину пласта через параметры отвала. Для этого проинтегрируем (10), при условии s = 0 при l = 0, получим

.

Замечая, что - угол охвата пласта поверхностью отвала от начала пласта до рассматриваемого сечения, найдем

,  (11)

.       (12)

,       (13)

где         - относительный радиус кривизны пласта.

Определим силы, действующие на пласт при движении по поверхности отвала. За основу возьмем схему движения пласта по поверхности корпуса плуга.

Сила инерции направлена перпендикулярно к осевой линии пласта. На элемент пласта длиной dl будет действовать сила

,

где        В - ширина пласта; - плотность почвы в пласте.

Подставляя в последнее уравнение (10), (11) и (12), получим

.                               (14)

Используя уравнение (13), проецируем dF на нормальное и касательное направления к поверхности отвала:

.                       (15)

Для определения сил, возникающих от силы тяжести пласта, выделим из пласта двумя бесконечно близкими плоскостями, перпендикулярными к оси пласта, элемент длиной dl (рис. 12). Сила тяжести элемента будет равна

.

Проецируя dG на нормальное и касательное направления к поверхности отвала получим

                        (16)

Нормальное давление qи, возникающее вследствие связности пласта при его изгибе, будем искать по известной форме осевой линии пласта. При этом допускаем, что зависимость между деформациями и напряжениями в пласте линейна.

Изгибающий момент Ми равен:

,

где        Е - модуль упругости почвы; - момент инерции сечения пласта.

Подставляя в последнее соотношение (11) и (12) и дважды дифференцируя, найдем нормальное давление qи:

.                         (17)

На элемент пласта длиной dl будет действовать сила

.

Проецируем dNи на нормальное и касательное направления к поверхности отвала:

.                         (18)

Приращение сжимающего усилия на рассматриваемом элементе пласта будет равно:

или

,                                        (19)

где        .

Уравнение (19) - это линейное дифференциальное уравнение первого порядка. Его решением, при условии T = 0 при w = 0, будет

,

где        TF - сжимающее усилие от действия сил инерции пласта

;

;

Tи - сжимающее усилие от действия нормального давления, вызванного изгибом пласта,

;

TG - сжимающее усилие от действия силы тяжести пласта

;

Для нахождения сил продольного сжатия почвенного пласта T по приведённым выше формулам составлена программа, по которой были выполнены расчёты. Установлено, что основная составляющая силы продольного сжатия пласта - это составляющая от деформации пласта отвалом. Влияние силы тяжести и сил инерции пласта незначительно.

Проведённая оценка влияния отвала на процесс образования элемента пласта показала, что продольная сила сжатия пласта не создаёт области предельного равновесия и не оказывает влияния на образование элемента пласта при изменении параметров отвала в рассмотренном диапазоне. То есть, можно распространить результаты, полученные при исследовании процесса образования элемента пласта при резании почвы двугранным клином, на процесс резания почвы двугранным клином с отвалом.

Определим силы, действующие на отвал. На элемент отвала d перпендикулярно его поверхности будет действовать сила dNo, а по касательной к поверхности отвала в направлении движения пласта будет действовать сила dTo (рис. 14). Эти силы равны:

                                (20)

Входящие в (20) величины определяются по формулам (14) - (19). Горизонтальные dRx и вертикальные dRy составляющие сил, действующих на элемент отвала, будут равны

        (21)

Перейдем от угла к углу (рис. 14) и подставим в (21) соотношения (20). Интегрируя по от 0 до максимального значения , найдём силы Rx и Ry, действующие на отвал

  (22)

Координаты точки приложения равнодействующих сил найдём по известным формулам (рис. 13)

        (23)

Вследствие громоздкости значений, входящих в уравнения (20), интегралы (22) и (23) будем вычислять численно.

Аппроксимировать полученные значения зависимостью общего вида, включающей в качестве независимой переменной параметры рабочего органа, характеристики почвы и режимов работы, с достаточной точностью не удалось. Однако если зафиксировать параметры рабочего органа и свойства почвы, то полученные значения аппроксимируются с достаточной точностью зависимостями следующего вида:

                (24)

где Rx - отношение горизонтальной составляющей силы, действующей на отвал со стороны пласта, к площади вырезаемого сечения Н/см2; Ry - отношение вертикальной составляющей силы, действующей на отвал со стороны пласта, к площади вырезаемого сечения Н/см2;

Рабочий орган орудия для дискретной обработки почвы состоит из двугранного клина и цилиндрического отвала. Определим траекторию заглубления рабочего органа.

Касательная к траектории заглубления рабочего органа в почву является углом заглубления 0:

,                                       (25)

где        ,  ,

Необходимо различать два варианта. Первый, когда почва находится в фазе сдвигов. Второй вариант, когда почва находится в фазе уплотнения.

Вертикальная нагрузка на двугранный клин будет равна:

.

Здесь мы считаем, что ребро клина острое, и силы, возникающие на нём, незначительны. Подставляя в (25) придём к дифференциальным уравнениям. В первом варианте:

.

Во втором варианте:

.

Эти дифференциальные уравнения решались методом Рунге-Кутта. В результате расчётов установлено, что угол заглубления 17Е18 обеспечивает рабочий орган с углом заострения двугранного клина 18, длиной передней поверхности двугранного клина 15 см, задней - 27 см и радиусом отвала более 0,5 м при угле резания 18Е24, ширине рабочего органа 60 см и массе орудия 700Е800 кг.

В шестой главе лМодель работы агрегата на подготовительных работах при лесовосстановлении в горах определены условия управляемости агрегата, силы сопротивления, возникающие при работе на расчистке вырубок, угол установки отвала в плане, проведён расчёт параметров подвижного отвала при работе на строительстве террас.

Поворот агрегата будет происходить только тогда, когда сила P2 меньше силы сцепления гусеницы с почвой, т.е. когда выполняется условие (рис.14)

,

где        г - коэффициент сцепления гусеницы с почвой, G - сила тяжести трактора, - крутизна склона.

Подставляя в неравенство значение силы P2 из уравнений равновесия, получим

, (26)

где         - коэффициент пропорциональности между поперечными реакциями грунта и нормальной нагрузкой, зависит от типа почвы и радиуса поворота агрегата R; f - коэффициент сопротивления качению.

Минимальный радиус поворота агрегата при расчистке полос определяется из возможности последующего прохода агрегатов для обработки почвы, посадки растений и ухода за лесными культурами. Рассмотрим установившийся режим при расчистке вырубок. Сила сопротивления будет определяться как сумма равнодействующих сил от перемещения постоянной части призмы волочения , от перемещения порубочных остатков по призме волочения , от резания микронеровностей вырубки и от силы трения оборудования о почву :

.

Сила трения оборудования о почву будет определяться по формуле:

где        N - вертикальная составляющая реакции опоры (почвы).

Значение N равно силе тяжести оборудования. Координата точки приложения силы трения Ртр будет находиться в центре тяжести оборудования.

Равнодействующая сил от перемещения постоянной части призмы волочения равна

,

где        Gпр - сила тяжести постоянной части призмы волочения; fпг - коэффициент трения порубочных остатков о почву

Рассмотрим вариант, когда размеры порубочных остатков много меньше призмы волочения. Порубочные остатки будут распределены по краю призмы волочения. На элемент слоя D порубочных остатков массой dm будет действовать сила dPпо, направление которой совпадает с направлением скорости перемещения элемента слоя D относительно поверхности почвы, а величина равна

,

где         - плотность порубочных остатков; g - ускорение свободного падения; S - площадь поперечного сечения слоя D; dl - длина элемента слоя массой dm.

Таким образом, проекция на ось OX равнодействующей сил от перемещения порубочных остатков по призме волочения определится по формуле

,       (27)

где: по - угол, образованный направлением движения элемента слоя  порубочных остатков, и прямой, перпендикулярной направлению движения агрегата (рис. 16); L - кривая интегрирования, образованная слоем D.

Аналогично определяется проекция на ось OY:

,       (28)

Выразим cosпо через тангенс этого угла, заметив, что (рис. 15):

,

где        fпо - коэффициент трения порубочных остатков о порубочные остатки.

Подставим полученное выражение в формулу (27). После интегрирования получим:

.

Аналогично рассмотрим формулу (28):

.

Определим координаты точки приложения равнодействующей силы от перемещения порубочных остатков по призме волочения по формулам

,

.

Определим границы призмы волочения в плане. Из плана скоростей по теореме синусов находим (рис. 15):

.

Так как функция y(x) должна быть четной, то в результате решения дифференциального уравнения получим:

,  (29)

где        |x| S/q

Сила тяжести призмы волочения равна:

где        Vпр - объем призмы волочения.

Призма волочения будет иметь максимальный объем тогда, когда угол между горизонтальной плоскостью и касательной плоскостью к призме волочения равен углу естественного откоса порубочных остатков по. Исходя из этого найдем уравнение поверхности, образованной порубочными остатками в призме волочения.

,

где        y(x1) - уравнение границы призмы волочения в плане, .

Второй поверхностью, ограничивающей призму волочения, является поверхность отвала. Третьей поверхностью, ограничивающей призму волочения, является поверхность почвы. При определении объема призмы волочения и координат её центра тяжести использовались численные методы.

Определим силу от резания микронеровностей вырубки . Горизонтальная сила, необходимая для перемещения трёхгранного клина, равна силе, необходимой для перемещения двугранного клина с углом резания

,

где        0 - линейный угол двугранного угла; пл - угол установки двугранного угла в плане.

Сама сила определится по формуле Py = гор S, где S - площадь вырезаемого сечения.

Боковая сила определится, согласно данным Л.А.Скворцова и Л.Н.Смирнова, по формуле:

.

Определим площадь вырезаемого сечения S. Микропрофиль вырубки (x) можно рассматривать как гауссовский стационарный процесс. Среднее значение уровня уср, на котором находится отвал, определится по формуле:

,                                         (30)

где        P(Bk) - вероятность нахождения отвала на уровне yk.

Введем систему координат: ось OY - вертикальная ось, проходит через левый край отвала; ось OX - проходит параллельно лезвию ножа отвала, через средние значения микронеровностей вырубки (рис. 16).

Пусть отвал 1 находится на одном уровне и в одной линии с опорным устройством 2, и пусть они находятся на одном уровне у в интервале (yk, yk+dy). Вероятность нахождения отвала на уровне будет являться произведением трех событий: события Ck - неровности в какой-либо точке находятся в интервале (yk, yk+dy), события Ck* - эта точка находится под опорным устройством и события Ck** - опорное устройство находится  над участком, где неровности не превышают уровень (yk, yk+dy). Так как эти события независимы, то

.        (31)

Вероятность P(Ck) можно записать следующим образом:

      (32)

Вероятность P(Ck*) найдется из условия равномерного распределения случайной величины x на интервале длиной :

. (34)

где , - средняя длительность выброса за уровень уk, соответственно сверху вниз и снизу вверх, определяются по известным формулам:

, ,

В(х) - корреляционная функция микропрофиля, аппроксимируется выражением

,

D - дисперсия рассматриваемого процесса (x); - интенсивность затухания корреляционной функции; f0 - частота периодической составляющей случайного процесса.

Вероятность P(Ck**) найдется из условия равномерного распределения случайной величины x на интервале длиной k-, т. е.

.                               (34)

Так как вероятность не может быть отрицательной, то самое нижнее положение, в котором может оказаться отвал, это когда . Из этого условия находим нижний уровень y*, от которого начинается суммирование в формуле (30):

.                         (35)

После подстановки (31)Е(35) в (30) и перехода к пределу получим:

.

Средняя площадь вырезаемого сечения при расчистке будет определяться интегралом:

.

Максимальная площадь вырезаемого сечения будет определяться аналогично:

.

Для D = 16 см2, f0 = 0,35 1/м, = 0,2 1/м построены графики зависимости Sср и Smax от ширины опорного устройства b (рис. 17).

При работе на расчистке вырубок агрегат должен отвечать следующим требованиям. Энергозатраты должны быть минимальны.

.                                (36)

Агрегат должен быть управляем (26). Требования к агрегату можно рассматривать как задачу условной оптимизации, где соотношение (36) - целевая функция, а неравенство (26) - ограничение, накладываемое на нее. Если задаться маркой трактора и условиями работы, то задача становится одномерной. Единственной переменной остается угол установки отвала в плане.

Поставленная задача решалась методом дихотомии. В результате установлено, что условиям задачи удовлетворяет угол установки отвалов в плане 70, а минимальная максимальная высота отвала с козырьком, при которой отсутствует пересыпание порубочных остатков через отвал, составит 1,4 м.

Остальные параметры неподвижного отвала найдем из необходимости работы на землеройных работах. Для этого используем при проектировании неподвижного отвала профиль бульдозерного отвала с постоянным радиусом кривизны поверхности.

Расчет параметров подвижного отвала при работе на строительстве террас проводился из условия минимума энергозатрат на вырезание и перемещение объёма грунта по методике Ю.М. Серикова.

В седьмой главе лЭкспериментальные исследования физико-механических свойств лесных почв и процесса резания почв рабочими органими различных типов приведены методики определения физико-механических характеристик лесных почв, экспериментальные исследования процесса резания почвы двугранным клином, траектории и глубины заглубления рабочего органа в виде двугранного клина с цилиндрическим отвалом в почву.

Целью исследований процесса резания почвы двугранным клином является определение соответствия экспериментальных и расчётных значений размеров элемента пласта. Исследования проводились в полевых условиях на территории питомника Правдинского лесхоза-техникума. Управляемыми факторами являлись глубина резания h и угол резания α0. В качестве двугранного клина использовалась выкопочная скоба от выкопочной машины ВМ-1,25.

В табл. 1 приведены результаты исследований и расчётное значение величины k, определённое по формуле (5). Из табл. видно, что доверительный интервал для математического ожидания величины k включает расчётное значение. Таким образом, построенная модель образования пласта при резании почвы двугранным клином соответствует результатам проведённых экспериментов.

Таблица 1

Результаты измерения размеров элементов пласта

0 = 20		0 = 25,3		0 = 12,4
k=L/h		k=L/h		k=L/h
ср. знач.	0,490	ср. знач.	0,456	ср. знач.	0,636
дисперсия	0,00201	дисперсия	0,00178	дисперсия	0,00637
Доверительный интервал для 5 % уровня значимости	0,0248	Доверительный интервал для 5 % уровня значимости	0,0233	Доверительный интервал для 5 % уровня значимости	0,0441
Расчётное значение	0,512	Расчётное значение	0,467	Расчётное значение	0,649

Основной характеристикой траектории заглубления является угол заглубления рабочего органа. Он, вместе с глубиной заглубления, определяет размер посадочных мест (площадки и пласта) и расстояние между ними. Проверка соответствия построенной модели образования пласта реальному процессу проводилось с использованием экспериментального образца орудия для дискретной обработки почвы ОДП-0,6. Рабочий орган орудия - две спаренные лопасти. Каждая лопасть представляет собой двугранный клин и цилиндрический отвал. Образец агрегатировался с трактором ЛХТ-55. Работа проводилась на вырубке в Хомяковском лесничестве Сергиево-Посадского опытного лесхоза. В ходе работы проводили следующие замеры: угол резания α0., длина пути заглубления по поверхности почвы, максимальная глубина резания. Управляемым фактором являлся угол резания .

Для проверки соответствия построенной модели образования пласта и модели взаимодействия пласта с отвалом реальному процессу проводился расчёт траектории заглубления рабочего органа. Результаты расчётов и экспериментов при угле резания 21 (задний угол 3) приведены на рис. 18. Установлено, что расчётные траектории соответствуют экспериментальным при задних углах до 6. При больших значениях задних углов расчётные значения угла заглубления больше экспериментальных.

Зная траекторию заглубления рабочего органа, можно определить силы, действующие на него. Схема для расчёта показана на рис. 19. При вырезании пласта орудие движется равномерно и прямолинейно. При завершении вырезания пласта равновесие нарушается и происходит поворот рабочего органа. Условие равновесия орудия при вырезании пласта запишется следующим образом (рис. 19).

,

где        Qx и Qy - силы, действующие на двугранный клин при образовании элемента пласта:

;

xQ и yQ - координаты точки приложения сил Qy и Qx :

Tx, Ty - проекции на оси координат силы трения, действующей на заднюю поверхность двугранного клина:

xT и yT - координаты точки приложения сил Ty и Tx :

;

Nн - реакция в шарнирах навесной системы орудия от силы тяжести навесной системы трактора; P - сила тяги трактора; M - момент, фиксирующий ротор относительно рамы; xm и ym - координаты оси ротора:

Плоско-параллельное движение рабочего органа будет продолжаться до тех пор, пока M 0. При M < 0 равновесие нарушается и начинается поворот ротора. При повороте ротора необходимо рассмотреть задачу динамики плоского движения твёрдого тела при равномерном движении вдоль оси OX:

.

Исходя из этого, находим глубину заглубления рабочего органа. Так как система уравнений и входящие в него члены достаточно громоздки, то решаем систему уравнений численно.

Один из вариантов расчёта приведен на рис. 18. Как видно, расчётный путь заглубления практически соответствует экспериментальному.

Таким образом установлено, что построенная модель образования пласта при резании почвы двугранным клином с цилиндрическим отвалом соответствует результатам проведённых экспериментов.

В восьмой главе лЭкспериментальные исследования работы агрегата на подготовительных работах при лесовосстановлении в горах определены тип рабочего органа для корчёвки пней, статистические характеристики микропрофилей вырубок, равнодействующая сил сопротивления при работе на расчистке вырубок.

Задача по определению типа рабочего органа для корчёвки пней решалась на основе данных хронометража. Управляемый фактор - тип рабочего органа, отклик - время корчевки пня. Построим регрессионную модель зависимости времени корчевки пня от его диаметра и проведём дисперсионный анализ полученных уравнений.

Исследовано три типа рабочих органов: рабочие органы корчевателя собирателя МП-2Б; рабочие органы в виде "зубьев"; рабочие органы в виде развитого откосника с подрезающим ножом.

Получены следующие зависимости:

, (37)

, (38)

, (39)

где        уравнение (37) - соответствует рабочему органу МП-2Б; уравнение (38) Црабочему органу в виде "зубьев"; уравнение (39) Црабочему органу в виде развитого откосника с подрезающим ножом.

В результате дисперсионного анализа установлено, что различия между рассматриваемыми рабочими органами существенны. При попарном сравнении рабочих органов установлено, что рабочие органы в виде развитого откосника с подрезающим ножом значимо отличаются от рабочих органов других типов. При этом время корчевки пня предлагаемым рабочим органом в среднем в 1,75 раза меньше.

Определение равнодействующей сил сопротивления при работе на расчистке вырубок проводилось с целью проверки теоретических исследований. Исследования проводили на оборудовании, основные параметры которого получены расчетным путем. Входными величинами были захламленность вырубки, и статистические характеристики микропрофиля. Выходными - качество расчищенной полосы и равнодействующая сил сопротивления. Регистрация равнодействующей сил сопротивления проводилась методом тензометрирования путём наклейки проволочных тензодатчиков на раму оборудования. По входным величинам производился расчет качества расчистки, и определялась равнодействующая сил сопротивления. Расчетные значения сравнивались со значениями, полученными из опыта.

В результате установлено, что с вероятностью P = 0,8 отклонения наблюденных значений от расчетных лежат в интервалах приведенных в табл. 2.

Таблица 2

Интервалы отклонения эмпирических величин от теоретических

Наблюдаемая величина	Диапазон изменения отклонения от расчётного значения, кН	Диапазон изменения отклонения от расчётного значения, %
Px	Ц 5,1Е1,7	Ц 16,0Е5,3
Py	Ц 0,7Е0,2	Ц 18,2Е5,2

Из приведенных данных видно, что метод расчета нагрузок, возникающих при расчистке вырубок, с достаточной точностью соответствует результатам проведённых экспериментов.

В девятой главе Практическая реализация результатов исследований описаны этапы создания орудия для дискретной обработки почвы ОДП-0,6, оборудования для корчёвки и террасирования ОКТ-3, их конструктивно-технологические схемы и процессы работы. В заключении главы представлены результаты внедрения проведённых исследований в производство и расчёт полученного при этом экономического эффекта.

На основании материалов выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработано орудие для дискретной обработки почвы ОДП-0,6 (рис.23). Орудие для дискретной обработки почвы включает раму 1, на которой установлена ось 2. На ось установлены копиры 3 и барабан 4. На барабане шарнирно закреплены восемь лопастей 5. Копиры закреплены неподвижно относительно рамы предохранительными штифтами 6. Лопасти снабжены пальцами 7, которые фиксируют лопасть относительно барабана при взаимодействии с копирами. В полости рамы 8 заливается масло для смазки копиров при работе орудия.

Внедрение машины в технологический процесс создания лесных культур на вырубках осуществлено в Сергиево-Посадском опытном лесхозе Московской области в агрегате с трактором ЛХТ-55 и в Вышневолоцком лесхозе Тверской области в агрегате с трактором Беларус Л-82.2. Орудие ОДП-0,6 работает стабильно как с гусеничным, так и с колесным трактором, препятствия (пни, крупные порубочные остатки, камни и т. п.) преодолеваются без остановки трактора и без подъема орудия. Забивания рабочих органов порослью, порубочными остатками не наблюдалось. Конструкция опытного образца орудия ОДП-0,6 соответствует требованиям охраны труда, не повышает уровня воздействия вредных факторов на рабочем месте. Орудие отличает простота конструкции и низкая энергоемкость. По результатам приемочных испытаний орудие рекомендовано к серийному производству.

Основные параметры оборудования для корчёвки и террасирования ОКТ-3 были определены по установленным аналитическим зависимостям и данным, полученным опытным путем.

Оборудование состоит из следующих основных частей (рис. 21): основного отвала с толкающей рамой 1, подвижного отвала 2 с корчующим зубом 3 и раскалывающе-подрезающим зубом, гидроцилиндров 4, 5 и тяги 6 механизма привода подвижного отвала.

Испытания ОКТ-3 проводились на расчистке полос, сплошной корчевке пней и строительстве террас в Псебайском ОПЛК Краснодарского края, в Краснооктябрьском спецсемлесхозе и на территории Майкопского ОПЛК Республики Адыгея. По результатам приёмочных испытаний оборудование ОКТ-3 рекомендовано к серийному производству.

Результаты исследований по данной проблеме использованы ЦОКБлесхозмаш при создании опытных образцов машин и в течение 10 лет применяются в учебном процессе на кафедре механизации лесохозяйственных работ МГУЛ при проведении практических, лабораторных занятий и выполнении курсового и дипломного проектирования.

Экономический эффект от использования ОДП-0,6 составляет 536,3 руб./км, ОКТ-3 - 531681,8 руб./год.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Анализ работ по лесовосстановлению показал, что техническое оснащение лесного хозяйства недостаточно, уровень обновления парка машин в пределах 1 %, разработанные технические средства и методы оценки их экономической эффективности требуют совершенствования.

2. Разработана методика оценки экономической эффективности технологических комплексов, позволяющая проводить оценку при отсутствии точных данных о стоимости ресурсов. Установлено, что для лесовосстановления на вырубках, при сложившемся соотношении цен на ресурсы, наиболее эффективно использование технологических комплексов на базе колёсных тракторов класса тяги 1,4Е2,0 и орудий для дискретной обработки почвы.

3. Разработана модель образования пласта при резании почвы двугранным клином. При её исследовании установлено: элемент пласта может образовываться как от вершины двугранного клина, так и на некотором удалении от неё; при малых углах резания резание происходит без образования элемента пласта; при резании с постоянной глубиной или с постоянным углом заглубления, постоянных почвенных условиях и постоянных параметрах двугранного клина отношение размеров элементов пласта к глубине резания, горизонтальная и вертикальные составляющие сопротивления от образования элемента пласта, приходящиеся на единицу площади вырезаемого сечения, постоянны; определены зависимости размеров элемента пласта, сил, возникающих при его образовании в зависимости от параметров двугранного клина, режимов резания и физико-механических свойств почвы.

4. Разработана модель взаимодействия пласта с отвалом. Определены силы, действующих на пласт при его движении по поверхности отвала, в зависимости от параметров отвала и свойств почвы. Основная составляющая силы продольного сжатия пласта - это составляющая от деформации пласта отвалом. Влияние сил тяжести и инерции для скоростей движения, используемых в лесу, незначительно. Установлено, что сила продольного сжатия пласта не создаёт область предельного равновесия и не оказывает влияние на процесс образования элемента пласта при изменении параметров отвала и режимов резания в рассматриваемом диапазоне. Определены силы, действующие на отвал.

5. Предложен алгоритм расчёта траектории заглубления двугранного клина с отвалом в почву, которая определяет параметры посадочного места. В результате расчётов установлено, что необходимый угол заглубления обеспечивает рабочий орган с углом заострения двугранного клина 18, длиной передней поверхности двугранного клина 15 см, задней - 27 см и радиусом отвала более 0,5 м при угле резания 18Е24, ширине рабочего органа 60 см и массе орудия 700 кг.

6. Разработана модель работы оборудования на расчистке вырубок. Используя в качестве ограничений требования по управляемости агрегата, получено, что угол установки отвала в плане должен быть более 70, при этом максимальная высота отвала должна быть не менее 1,4 м. Разработан метод определения качественных показателей при расчистке вырубки. Установлено, что использование опорных устройств шириной менее 1 м на расчистке вырубки нецелесообразно вследствие повышения энергоёмкости процесса и большей степени минерализации расчищаемой площади.

7. Разработана методика определения модуля деформации почвы, основанная на определении условно-мгновенной деформации почвы при проведении компрессионных испытаний. Его значения составили 240Е400 Н/см2.

8. Экспериментальные исследования подтвердили соответствие построенных моделей образования пласта при резании почвы двугранным клином, взаимодействия пласта с отвалом и работы оборудования на расчистке вырубок реальному процессу. Доверительные интервалы математического ожидания для 5 % уровня значимости экспериментально полученных величин для моделей образования пласта и модели взаимодействия пласта с отвалом включают расчётные значения. Отклонения расчетных значений сил сопротивления, возникающих при расчистке вырубки, от экспериментальных находятся в интервале (Ц 5,3; 18,2 %).

9. На основании исследований трёх типов рабочих органов при работе на корчёвке пней установлено, что рабочий орган в виде развитого откосника с подрезающим ножом обеспечивает наименьшее время корчёвки пней. В сравнении с серийно выпускаемым корчевателем-собирателем МП-2Б время корчёвки уменьшается в 1,75 раза.

10. На основании проведённых экспериментальных и теоретических исследований разработаны орудие для дискретной обработки почвы ОДП-0,6 и оборудование для корчёвки и террасирования ОКТ-3. По результатам приёмочных испытаний указанные технические средства рекомендованы к серийному производству. Экономический эффект от использования ОДП-0,6 составляет 536,3 руб./км, ОКТ-3 - 531681,8 руб./год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Алябьев А.Ф. Зависимость качественных показателей работы оборудования для расчистки вырубок от его параметров // Вестн. Моск. гос. ун-та леса - Лесной вестник. - 2011.Ц № 3. - С. 74 - 77 .
2. Алябьев А.Ф. Результаты исследования модели взаимодействия двугранного клина с почвой // Вестн. Моск. гос. ун-та леса - Лесной вестник. - 2010.Ц № 6. - С. 141 - 145 .
3. Алябьев, А.Ф. Орудие для дискретной обработки почвы ОДП-0,6 // Лесное хозяйство. - 2010. - № 3. - С. 46 - 47.
4. Алябьев, А.Ф. Методика оценки экономической эффективности технологических комплексов (на примере машин для лесовосстановления на вырубках) // Лесное хозяйство. - 2010. - № 2. - С. 41 - 43.
5. Алябьев, А.Ф. Модель взаимодействия двугранного клина с почвой при свободном резании // Вестн. Моск. гос. ун-та леса - Лесной вестник. - 2009.Ц № 3. - С. 106 - 112.
6. Алябьев, А.Ф. Применение технологий создания лесных культур на вырубках в лесной зоне европейской части России / А.Ф.Алябьев, Н.Е.Проказин // Лесное хозяйство. - 2003. - № 5. - С. 37 - 40.
7. Прохоров, Л.Н. Методологические основы формирования новой системы технологий и машин для комплексной механизации лесного хозяйства / Л.Н. Прохоров, А.Ф. Алябьев, В.Ф. Зинин и др. //Лесное хозяйство. - 2001. - № 5 - С.44 Ц47
8. Cериков, Ю.М. Испытания террасёра бульдозера / Ю.М. Cериков, А.Ф. Алябьев, В.Т. Дёгтев //Лесное хозяйство. - 1997. - № 1. - C.47 - 49
9. Cериков, Ю.М. Размещение и разметка террас / Ю.М. Cериков, А.Ф. Алябьев //Лесное хозяйство. - 1996. - № 6. - C.42 - 44
10. Cериков, Ю.М. Оборудование для корчевания и террасирования ОКТ-3 / Ю.М. Cериков, А.Ф. Алябьев //Лесное хозяйство. - 1990. - № 4. - C.51 - 53
11. Гойденко, А.А. Об определении характеристик микропрофилей вырубок. / А.А. Гойденко, А.Ф. Алябьев //Изв. высш. учеб. заведений. Лесной журнал. - 1989. - № 2. - C. 119 - 120.

Научные и справочные издания

12. Алябьев, А.Ф. Обоснование технологических комплексов машин для лесовосстановления: монография. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2010. - 265 с.
13. Машины и механизмы лесного и лесопаркового хозяйства: справочник / А.Ф. Алябьев, В.Н. Винокуров, А.А. Котов и др. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2009. - 468 с.

Патенты на изобретения

14. Алябьев, А.Ф. Пат. на изобр. 2296444 Российская Федерация, МПК5 А 01 В 7/00 Лесной плуг/ А.Ф. Алябьев, В.Т. Дёгтев, Л.Н. Прохоров; заявитель и патентообладатель Всерос. НИИ лесовод. и механиз. лесн. хоз. - 2007. - Б.И. № 10
15. Алябьев, А.Ф. Пат. на изобр. 2246808 Российская Федерация, МПК5 А 01 В 13/16 Устройство для формирования прерывистых микроповышений/ А.Ф. Алябьев, Н.Е. Проказин, С.Ю. Сериков; заявитель и патентообладатель Всерос. НИИ лесовод. и механиз. лесн. хоз. - 2005. - Б.И. №6
16. Галанов, В.Н.. Пат. 2170498 Российская Федерация, МПК7 А 01 В 59/048. Навесное устройство к лесохозяйственному трактору. В.Н. Галанов, В.И. Казаков, А.Ф. Алябьев, С.А. Родин. - заявитель и патентообладатель Всерос. науч. иссл. ин-т лесоводства и механизации лесного х-ва. - № 99124162 ; опубл. 20.07.2001. Бюл. № 20. - 5 с.
17. Алябьев, А.Ф. Пат. 2157618 Российская Федерация, МПК7 А 01 G 23/06. Устройство для удаления пней. А.Ф. Алябьев, Ю.М. Сериков, В.Т. Дёгтев. - заявитель и патентообладатель Всерос. науч. иссл. ин-т лесоводства и механизации лесного х-ва. - № 97115864 ; опубл. 20.10.2000. Бюл. № 29. - 5 с.
18. Сериков, Ю.М. Пат. 2149535 Российская Федерация, МПК7 А 01 G 23/02. Кусторез. Ю.М. Сериков, А.Ф. Алябьев, В.Т. Дёгтев. - заявитель и патентообладатель Всерос. науч. иссл. ин-т лесоводства и механизации лесного х-ва. - № 97116346; опубл. 27.05.2000. Бюл. № 15. - 4 с.
19. Казаков, В.И.. Пат. 2145780 Российская Федерация, МПК7 А 01 С 5/02. Мкч для посадки лесных культур. В.И. Казаков, В.Н. Галанов, А.Ф. Алябьев, и др. - заявитель и патентообладатель Всерос. науч. иссл. ин-т лесоводства и механизации лесного х-ва. - № 98100662; опубл. 27.02.2000. Бюл. № 6. - 6 с.
20. Сериков, Ю.М. Пат. 2121256 Российская Федерация, МПК7 А 01 С 11/02. Лесопосадочная машина. Ю.М. Сериков, А.Ф. Алябьев. - заявитель и патентообладатель Всерос. науч. иссл. ин-т лесоводства и механизации лесного х-ва. - № 95110371 ; опубл. 10.11.98. Бюл. № 31. - 5 с.
21. Сериков, Ю.М. Пат. 2120735 Российская Федерация, МПК7 E 02 F 3/76. Агрегат для очистки вырубок. Ю.М. Сериков, А.Ф. Алябьев. - заявитель и патентообладатель Всерос. науч. иссл. ин-т лесоводства и механизации лесного х-ва. - № 95114933; опубл. 27.10.98. Бюл. № 30. - 3 с.
22. Сериков, Ю.М. Пат. 2080052 Российская Федерация, МПК7 E 02 F 3/76. Корчеватель-собиратель. Ю.М. Сериков, А.Ф. Алябьев, В.Т. Дёгтев, Л.Н. Прохоров. - заявитель и патентообладатель Всерос. науч. иссл. ин-т лесоводства и механизации лесного х-ва. - № 93016672 ; опубл. 27.05.97. Бюл. № 15. - 4 с.
23. Сериков, Ю.М. Пат. 2064743 Российская Федерация, МПК7 E 02 F 3/76. Способ разметки террас. Ю.М. Сериков, А.Ф. Алябьев. - заявитель и патентообладатель Всерос. науч. иссл. ин-т лесоводства и механизации лесного х-ва. - № 4885681 ; опубл. 10.08.1996. Бюл. № 22. - 4 с.
24. Сериков, Ю.М. Пат. 2059758 Российская Федерация, МПК7 E 02 F 3/76. Террасёр . Ю.М. Сериков, А.Ф. Алябьев, В.Т. Дёгтев. - заявитель и патентообладатель Всерос. науч. иссл. ин-т лесоводства и механизации лесного х-ва. - № 93032915 ; заяв. 24.06.1993; опубл. 10.05.1996. Бюл. № 13. - 4 с.
25. Сериков, Ю.М. Пат. 1838512 Российская Федерация, МПК7 E 02 F 3/76. Отвал террасёра. Ю.М. Сериков, А.Ф. Алябьев, В.Т. Дёгтев, А.С. Дюбенко. - заявитель и патентообладатель Всерос. науч. иссл. ин-т лесоводства и механизации лесного х-ва. - № 4885681 ; заяв. 13.10.1992; опубл. 30.08.1993. Бюл. № 32. - 4 с.
26. Алябьев, А.Ф. А. с. 1764548 СССР, МКИ4 А 01 С 11/02. Посадочная машина / А.Ф. Алябьев, Ю.М. Сериков, В.Ф. Зинин (СССР). - № 4698717; заявл. 16.03.1989 ; опубл. Бюл. № 36, 30.09.92 - 4 с.
27. Сериков, Ю.М. А. с. 1662428 СССР, МКИ4 А 01 G 23/06. Способ корчёвки пней / Ю.М. Сериков, А.Ф. Алябьев, В.П. Мореев (СССР). - № 4683111; заявл. 24.04.1989 ; опубл. Бюл. № 26, 15.07.1991 - 3 с.
28. Сериков, Ю.М. А. с. 1658908 СССР, МКИ4 А 01 G 23/06. Террасёр-корчеватель / Ю.М. Сериков, А.Ф. Алябьев (СССР). - № 4716460; заявл. 06.06.1989 ; опубл. 30.06.1991, Бюл. № 24. - 3 с.
29. Сериков, Ю.М. А. с. 1558328 СССР, МКИ4 А 01 G 23/06. Террасёр-корчеватель / Ю.М. Сериков, А.Ф. Алябьев (СССР). - № 4244130; заявл. 13.05.1987 ; опубл. Бюл. № 15, 1990 - 3 с.
30. Сериков, Ю.М. А. с. 1428293 СССР, МКИ4 А 01 G 23/06. Способ корчёвки пней / Ю.М. Сериков, А.Ф. Алябьев, В.П. Мореев (СССР). - № 4210784; заявл. 18.03.1987 ; опубл. Бюл. № 37, 1988 - 3 с.

Публикации в сборниках ведущих НИИ, ВУЗов и других изданиях

31. Алябьев, А.Ф. Методика определения сжимаемости лесных почв // Ресурсосберегающие и экологически перспективные технологии и машины лесного комплекса будущего: Материалы международной науч.-практ. конф. - Воронеж: ВГЛТА, 2009. - С. 17 - 21.
32. Алябьев, А.Ф. Модель мискретной обработки почвы пасстивными рабочими органами // Повышение технического уровня машин лесного комплекса: Материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Воронеж: ВГЛТА, 2009. - С. 17 - 21.
33. Алябьев, А.Ф. Взаимодействие ножа отвала с почвой при дискретной обработке почвы пассивными рабочими органами // Лесовосстановление и механизация лесохозяйственных работ: сб. науч. тр. - М.: МГУЛ, 2007. - Вып. 337 - С. 73 - 83.
34. Алябьев, А.Ф. К выбору усилий, производящих деформацию пласта при его вступлении на нож отвала // Лесопользование и воспроизводство лесных ресурсов: сб. науч. тр. - М.: МГУЛ, 2001. - Вып. 311 - С. 68 - 72.
35. Алябьев, А.Ф. Тенденции и задачи механизации лесокультурного освоения вырубок лесной зоны европейской части России /А.Ф. Алябьев, Н.Е. Проказин // Состояние и перспективы развития механизации лесного хозяйства и лесохозяйственного машиностроения в условиях рыночных отношений: Материалы науч.-практ. конф. - Пушкино: ВНИИЛМ, 2000. - С. 12 - 14.
36. Алябьев, А.Ф. Определение модуля общей деформации почвы и методика экспериментального определения давления, действующего на почву при образовании пласта // Состояние и перспективы развития механизации лесного хозяйства и лесохозяйственного машиностроения в условиях рыночных отношений: Материалы науч.-практ. конф. - Пушкино: ВНИИЛМ, 2000. - С. 46 - 49.
37. Алябьев, А.Ф. Обоснование схемы и параметров машины для удаления пней дуба на вырубках // Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса: Материалы международной науч.-практ. конф. - Воронеж: ВГЛТА, 1998. - С. 76 - 77.
38. Алябьев, А.Ф. Машины для создания лесных культур с минимальным воздействием на окружающую среду / А.Ф. Алябьев, Ю.М. Сериков // Устойчивое управление лесами и сохранение биологического разнообразия в лесном фонде Российской Федерации: Материалы науч.-практ. конф. - Пушкино: ВНИИЛМ, 1997. - С. 41 - 43.
39. Алябьев, А.Ф. Обоснование параметров машины для удаления пней дуба // Теория проектирование и методы расчёта лесных и деревообрабатывающих машин: сб. науч. тр. - М.: МГУЛ, 1997. - С. 169 - 170.
40. Сериков, Ю.М. Приспособление для разметки террас / Ю.М. Cериков, А.Ф. Алябьев //Лесохозяйственная информация. - 1996. - № 1. - C.33 - 35
41. Сериков, Ю.М. Террасёр-бульдозер / Ю.М. Сериков, А.Ф. Алябьев //Лесохозяйственная информация. - 1996. - № 1. - C.35 - 37
42. Сериков, Ю.М. Определение основных параметров отвалов террасеров и их тяговых сопротивлений / Ю.М. Сериков, В.Ф. Зинин, А.Ф. Алябьев // Исследование и обоснование параметров лесохозяйственных машин: Труды ВНИИЛМ, 1985. - C.50 - 65.

  Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям