Обоснование параметров и режимов работы лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Обоснование параметров и режимов работы лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом

Шаров Андрей Викторович

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Воронеж - 2021

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

Научный руководитель: Официальные оппоненты: Ведущая организация:	доктор технических наук, профессор, Попиков Петр Иванович Рыбак Александр Тимофеевич - доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет», кафедра приборостроения и биомедицинской инженерии, профессор Есков Дмитрий Владимирович - кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», кафедра лесного хозяйства и ландшафтного строительства, заведующий кафедрой Федеральное бюджетное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства» (г. Пушкино).

Защита диссертации состоится 02 июля 2021 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» по адресу: 394087,

г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ауд. 146.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте Воронежского государственного лесотехнического университета имени Г.Ф. Морозова http://www.vgltu.vrn.ru/rassmotrenie-dissertacij-v--sovete-d-212-034-02

Автореферат разослан «20» мая 2021 г.

Ученый секретарь диссертационного совета		Алексей Дмитриевич Платонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

машина орудие фреза метатель лесной пожар

Актуальность исследования. В настоящее время в лесном комплексе самым распространенным способом предупреждения и тушения лесных низовых пожаров является прокладка минерализованных полос и канав с применением лесных плугов и канавокопателей (ПКЛ-70, ПЛ-1, ПЛО-400), фрезерных полосопрокладывателей и грунтометательных машин (ПФ-1, АЛФ-10 и ГТ-3). Однако лесные плуги не способны создавать минерализованную полосу достаточной ширины за один проход агрегата, а грунтометательные машины малоэффективны, поскольку они агрегатируются с движителями с механизмом для получения особо низких рабочих скоростей, а фрезерные рабочие органы работают в контакте с верхним задернелым пластом земляного покрова, что значительно понижает качество выполнения технологических операций при ликвидации пожара. Поэтому появились орудия с комбинированными рабочими органами с предварительной подготовкой почвенного вала пассивными рабочими органами перед фрезами-метателями. Однако грунтометы-полосопрокладыватели снабжены громоздким механическим приводом, что значительно снижает надежность орудия, а фрезы хотя и взаимодействуют с подготовленным грунтом, но возможен контакт активного рабочего органа с корневой системой и невыкорчеванными пнями.

В настоящее время на строительных и дорожных машинах широко используется энергосберегающий гидропривод технологического оборудования и активных рабочих органов, который позволяет добиться снижения динамической нагруженности и энергозатрат за счет демпфирующих свойств и возвращения накопленной энергии в гидроаккумуляторе обратно в гидросистему. Известные на данный момент теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов лесных машин, использующих в своей конструкции энергосберегающий гидропривод рабочих органов, недостаточно полно описывают динамику процессов, возникающих в гидросистеме при взаимодействии активных рабочих органов с почвой и препятствиями. В связи с этим необходимо проведение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований новых конструкций лесопожарных грунтометательных машин с энергосберегающим гидроприводом активных рабочих органов, позволяющих повысить эффективность создания противопожарных полос и тушения кромки лесных низовых пожаров, поэтому тема диссертации является актуальной.

Диссертация выполнена в рамках госбюджетной тематики «Разработка и обоснование параметров рабочих органов грунтометательной машины для тушения низовых пожаров», шифр: 116092210006, сроки выполнения с 2016 по 2020 гг..

Степень разработанности темы исследования. Изучением рабочих процессов лесопожарных машин занимались многие ученые такие как: А.Н. Чукичев, И.М. Бартенев, И.В. Григорьев, М.В. Драпалюк, П.М. Мазуркин, А.М. Цыпук, С.В. Фокин, В.И. Казаков, Н.А. Коршунов, И.С. Федорченко, Д.В. Есков и др. Вопросами применения энергосберегающего гидропривода рабочих органов и технологического оборудования занимались В.И. Посметьев, А.Т. Рыбак, В.Ф. Щербаков, П.И. Попиков и др. Установлено, что повышение эффективности грунтометательных машин достигается при предварительной подготовке почвогрунта перед фрезерными метательными рабочими органами. Но проведенных исследований недостаточно для совершенствования рабочих процессов более эффективных орудий с гидроприводом активных рабочих органов. Разработка и создание лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом требует дополнительных исследований динамических и кинематических характеристик при взаимодействии ротора-метателя с почвой и препятствиями в рабочих режимах.

Цель и задачи исследования. Совершенствование рабочих процессов лесопожарной грунтометательной машины за счет обоснования и оптимизации параметров и режимов работы энергосберегающего гидропривода.

Исходя из поставленной цели, были сформированы следующие задачи:

1) обосновать конструктивно-технологическую схему и рабочий процесс лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом;

2) разработать математическую модель рабочих процессов лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом для оценки энергоемкости, динамической нагруженности и качественных показателей;

3) получить динамические и кинематические характеристики рабочих процессов лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом;

4) обосновать и оптимизировать параметры энергосберегающего гидропривода, разработать экспериментальный образец лесопожарной грунтометательной машины, провести испытания и определить ожидаемый экономический эффект от его применения.

Объектом исследования являются энергосберегающий гидропривод, лесопожарная грунтометательная машина, лесной почвогрунт.

Предметом исследования являются динамические и кинематические характеристики рабочих процессов лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом.

Научная новизна работы:

1. Рабочий процесс новой лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом ротора-метателя, отличающийся снижением энергоемкости, динамической нагруженности и повышением производительности.

2. Математическая модель рабочего процесса лесопожарной грунтометательной машины, отличающаяся тем, что учтено влияние параметров энергосберегающего гидропривода на динамическую нагруженность, энергоемкость и качественные показатели рабочих режимов.

3. Выявлены динамические и кинематические характеристики рабочих процессов энергосберегающего гидропривода, отличающиеся учетом взаимодействия ротора-метателя с препятствиями и почвогрунтом.

4. Обоснованы параметры энергосберегающего гидропривода, отличающиеся оптимальными значениями по критериям уменьшения энергоемкости и динамической нагруженности рабочих режимов лесопожарной грунтометательной машины.

Теоретическая значимость работы заключена в расширении теории динамики энергосберегающего гидропривода грунтометательной машины с учетом влияния процесса взаимодействия ротора-метателя с лесной почвой и препятствиями.

Практическая значимость работы состоит в создании опытного образца грунтомета с энергосберегающим гидроприводом, а также разработке рекомендаций по назначению основных параметров режимов работы проектируемой конструкции.

Основные результаты диссертации внедрены в ООО «Сталь-Синтез», Новоусманском филиале СГБУ ВО «Воронежский лесопожарный центр» и в учебном процессе ФГБУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова» при подготовке бакалавров и магистров.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования базировались на математическом и имитационном моделировании рабочих процессов лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом, теории планирования эксперимента, а также теории вероятностей, математической статистики и статистической динамики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Рабочий процесс лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом ротора-метателя, позволяющий снизить энергоемкость, динамическую нагруженность и повысить производительность.

2. Математическая модель рабочего процесса лесопожарной грунтометательной машины, позволяющая обосновать параметры нового энергосберегающего гидропривода и оценить эффективность его работы.

3. Динамические и кинематические характеристики рабочих процессов лесопожарной грунтометательной машины, позволяющие учитывать взаимодействия ротора-метателя с препятствиями и почвогрунтом.

4. Обоснованные параметры энергосберегающего гидропривода, позволяющие понизить динамическую нагруженность и энергоёмкость рабочих процессов лесопожарной грунтометательной машины.

Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность результатов работы обеспечивается большим объемом экспериментальных исследований опытного образца лесопожарной грунтометательной машины, высоким процентом совпадения результатов теоретических исследований с полученными экспериментальными данными; использованием современных методов планирования экспериментов и обработки полученных экспериментальных результатов.

Основные результаты диссертации доложены на трех международных научно-технических конференциях (г. Воронеж, 2017, 2018 гг.), двух всероссийских научно-технических конференциях (г. Воронеж, 2018, 2019 гг.), а также ежегодных научно-практических конференциях ФГБУ ВО ВГЛТУ (2015-2021 гг.).

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Результаты, полученные при проведении научных исследований, соответствуют п. 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин» паспорта научной специальности 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.

Личный вклад автора заключается в проведении анализа конструкций и рабочих процессов отечественных и зарубежных лесопожарных грунтометов, разработке новой грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом и математической модели ее рабочего процесса, в изготовлении опытного образца, проведении полевых исследований и обработке их результатов, в подготовке основных публикаций по теме диссертации.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе 5 научных статей в научных журналах, включенных в перечень ВАК по специальности, 7 научных статей в материалах международных и всероссийских конференций, 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель, 1 статья в базе данных Scopus, 1 заявка подана в Роспатент на госрегистрацию программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 105 наименований использованных источников, в т.ч. 10 иностранных, приложений. Работа изложена на 135 страницах печатного текста, включая 107 страниц основного текста, 28 страниц библиографического списка и приложений, 62 иллюстраций, 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена общая характеристика работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, научные положения, выносимые на защиту, теоретическая и практическая значимость научных исследований.

В первой главе дан анализ способов и технических средств предупреждения и тушения лесных низовых пожаров, проведенных научно-исследовательских работ по исследованию динамики энергосберегающего гидропривода активных рабочих органов технологических машин. Установлено, что в лесном хозяйстве перспективными являются лесопожарные грунтометательные машины, совмещающие в своей конструкции комбинированные пассивные и активные рабочие органы с энергосберегающим гидроприводом.

Во второй главе приведены теоретические исследования, направленные на разработку и решение математической модели рабочего процесса новой лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом, конструкция которой защищена патентом на изобретение РФ № 2616021и патентом на полезную модель № 196851 (рисунок 1).

а) б)

а) 1 - рама; 2 - механизм навески; 3 - ротор-метатель; 4 - лопатки; 5 - рубящие ножи; 6 - кожух-рыхлитель; 7 - лемех; 8 - окна; 9 - предохранительные ножи; 10 - опорная лыжа; 11 - гидромотор; 12 - пневмогидравлический аккумулятор; б) гидронасос - H, гидромотор - М, пневмогидравлический аккумулятор - А, эффективный трубопровод - Т, предохранительный клапан - П, гидробак - С.

Рисунок 1 - Конструктивная схема (а) и расчетная гидравлическая подсистема (б) лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом

Основное уравнение разработанной математической модели связывает гидравлическую и механическую подсистемы:

(1)

где J_М, J_Р, J_П - моменты инерции гидромотора,; ротора-метателя, передачи, приведенные к оси вращения ротора, кгм²; ц_Р - угол поворота ротора, рад; Q_М - расход рабочей жидкости гидромотором, м³/с; P_М и P₀ - давление на входе и выходе гидромотора, Па; N_ЭГ и N_ЭП - количество элементов грунта и препятствия (корни, пни, камни), взаимодействующих с лопатками ротора; r_i - расстояние от оси ротора до взаимодействующего с ротором i-го элемента грунта или препятствия, м; F^ф_Гi и F^ф_Пi - касательные составляющие силы воздействия i-го элемента грунта и препятствия на ротор, Н; М_СТ - момент силы сухого трения при вращении ротора, Нм; k_ВТ - коэффициент вязкого трения, Па c.

При моделировании энергосберегающего гидропривода с учетом расчетной схемы (рисунок 1, б) принимаем, что давление P_m в полости m изменяется в соответствии с теорией объемной жесткости профессора А.Т. Рыбака:

,(2)

где С_прi - приведенные коэффициенты объёмной жёсткости соответствующего участка гидравлической системы, включающие параметры гидроаккумулятора (давление зарядки и его объем), Н/ м⁵.

Для рабочей полости гидроаккумулятора уравнение (2) имеет вид:

 ,(3)

где E_Ж - модуль упругости рабочей жидкости, Па; V_ПГА - объём рабочей полости пневмогидроаккумулятора, м³; P_пга - давление газа при зарядке пневмогидроаккумулятора, Па; p_А - текущее значение давления рабочей жидкости в рабочей полости пневмогидроаккумулятора, Па; k - показатель адиабаты газа, равный 1,41.

При условии, что давление в полости i больше давления в полости j, расход рабочей жидкости Q_ij определяется по формуле:

,(4)

где i и j - индексы полостей; k_ij - коэффициент дросселирования:

,(5)

м - коэффициент расхода равен 0,7...0,8; эффективный диаметр d_ij отверстия полости, м; g - ускорение свободного падения, м/с²; г - удельная сила тяжести рабочей жидкости, Н/м³.

Для определения сил F^ф_Гi и F^ф_Пi воздействия i-го элемента грунта и препятствия на ротор-метатель составлены уравнения движения конечных элементов:

(6)

где m_i - масса i-го элемента грунта, кг; N_Э - количество элементов грунта; с_ij и d_ij - коэффициенты жесткости и вязкости взаимодействия элементов i и j Н/ м⁵; r_ij - расстояние между центрами элементов i и j, м; d_В - расстояние между элементам, м; N_П - количество элементарных поверхностей рабочих органов.

Рисунок 2 - Результаты моделирования в разработанной программе

Разработанная компьютерная программа (подана заявка в Роспатент на государственную регистрацию программы для ЭВМ) несколько раз в секунду выводит на экран компьютера схематичное изображение в трех проекциях рабочие органы и почвенную систему, а также временную зависимость момента сопротивления вращению ротора (рисунок 2). Получены зависимости давления рабочей жидкости в рабочих режимах с пневмогидравлическим аккумулятором (с ПГА) и при отключении пневмогидравлического аккумулятора (без ПГА) (рисунок 3). При встрече ротора с препятствием, при отключении пневмогидравлического аккумулятора, возрастает всплеск давления рабочей жидкости в напорной гидролинии гидромотора до 17,42 МПа, приводящий к остановке вращения ротора и вала гидромотора. При подключении гидроаккумулятора давление возрастает до 13 МПа, т.е. снижение динамических нагрузок происходит на 34 %. При преодолении препятствия предохранительный клапан гидромотора не срабатывает за счет того, что гидроаккумулятор поглощает гидравлическую энергию, и она не превращается в тепловую. При моделировании рабочих процессов изучалось влияние гидроаккумулятора на угловую скорость вала гидромотора при встрече ротора с препятствием (рисунок 4). Время разгона ротора-метателя при подключении гидроаккумулятора длится на 1,5-2 с меньше, чем без гидроаккумулятора, т.к. накопленная энергия в гидроаккумуляторе в момент торможения ротора возвращается в гидропривод после преодоления препятствия и способствует более быстрому разгону ротора, снижает длину огреха при прокладке полос на 0,8-1,1 м.

Рисунок 3 - Теоретические зависимости работы грунтомета с пневмогидравлическим аккумулятором (с ПГА) и при отключении пневмогидравлического аккумулятора (без ПГА)



Рисунок 4 - Влияние гидроаккумулятора на угловую скорость вала гидромотора при рабочих режимах

Для изучения влияния давления предварительной зарядки гидроаккумулятора P_ПГА на показатели эффективности энергосберегающего гидропривода проведена серия компьютерных экспериментов (рисунок 5). При давлении зарядки пневмогидравлического аккумулятора 6...7 МПа энергосберегающий гидропривод запасает за рабочий цикл энергию порядка 15,2...16,8 кДж (рисунок 5а), всплески давления не превышают 12,3 МПа (рисунок 5б), при которых не срабатывают предохранительные клапаны гидромотора. Общая рекуперируемая энергия за счет сокращения количества срабатываний предохранительных клапанов может составить около 3000 кДж на один погонный километр прокладки полосы при плотности препятствий до 200 шт/км.



а)

б)

Рисунок 5 - Влияние начального давления газа в пневмогидроаккумуляторе P_ПГА на запасаемую энергию за рабочий цикл E_ц (а), амплитуду всплеска давления в гидросистеме P_m (б)

Проведена оценка влияния коэффициента дросселирования k_ГА в трубопроводе между гидроаккумулятором и гидромотором на эффективность энергосберегающего гидропривода (рисунок 6). При коэффициенте дросселирования в диапазоне 10-⁶...10-³ м³·с·Па-^1/2 энергосберегающий гидропривод является вполне эффективным и обеспечивает E_ц около 8 кДж, при давлении P_m около 3 МПа. При k_ГА менее 10-⁸м³·с·Па-^1/2 перетекания рабочей жидкости в момент торможения гидромотора практически не происходит, поэтому энергия, накапливаемая за рабочий цикл мала - менее 2,5 кДж и в гидросистеме происходит существенный всплеск давления более 15 МПа.



а) б)

Рисунок 6 - Влияние коэффициента дросселирования между гидромотором и пневмогидроаккумулятором k_ГА на запасаемую энергию за рабочий цикл E_ц (а), амплитуду всплеска давления в гидросистеме P_m (б)

В рамках серии компьютерных экспериментов частота вращения гидромотора n_об/с варьировалась от 1 об/с до 9 об/с с шагом 1 об/с (рисунок 7). При увеличении частоты вращения ротора-метателя количество, запасаемой пневмогидравлическим аккумулятором энергии E_ц растет, однако при увеличении частоты вращения ротора возрастает, и величина всплеска давления в гидросистеме P_m. Оптимальным диапазоном частоты вращения n_об/с является интервал 7…8 об/с. При таких значения частоты вращения запасаемая энергия составляет E_ц = 10…15 кДж. При варьировании частоты вращения гидромотора n_об/с от 7 до 9 об/с давление P_m возрастает от 10 до 12,5 МПа.

а) б)

Рисунок 7 - Влияние частоты вращения гидромотора n_об/с на запасаемую энергию за рабочий цикл E_ц (а), амплитуду всплеска давления в гидросистеме P_m (б)

В третьей главе приведены описание конструкции и рабочего процесса экспериментального образца лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом ротора-метателя, применяемое контрольно-измерительное оборудование, а также программа и методика проведения полевых исследований. Привод ротора-метателя экспериментального образца лесопожарной грунтометательной машины осуществляется от аксиально-поршневого гидромотора 1 типа 11М-20 (рисунок 8), который установлен при помощи сварного кронштейна на задней части кожуха-рыхлителя. Регулируемый аксиально-поршневой гидронасос 11Д-20, установленный на задней части рамы лесохозяйственного трактора ЛХТ-55, обеспечивает варьирование частоты вращения гидромотора, что позволяет получить зависимости динамических характеристик от частоты вращения ротора-метателя. Гидроаккумулятор 2, установлен рядом с гидромотороми предназначен для накопления энергии сжатого газа при преодолении препятствий и для сглаживания пульсации давлений при рабочих режимах лесопожарной грунтометательной машины. К напорному трубопроводу 3 гидромотора 1 подсоединен через штуцер датчик давления рабочей жидкости типа ПД-100 с диапазоном измерения давления рабочей жидкости 0…16 МПа. Сигналы с датчика давления передавались через АДАМы и преобразователь интерфейса на ЭВМ. Мгновенную частоту вращения ротора-метателя фиксировали лазерным тахометром CEMAT-6. Для привода ротора-метателя заводского опытного образца лесопожарной грунтометательной машины при внедрении в производство рекомендуются современные отечественные нерегулируемые аксиально-поршневые гидронасос и гидромотор серии 310.112.00.06.



Рисунок 8 -Экспериментальный образец лесопожарной грунтометательной машины

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований динамики энергосберегающего гидропривода и оценка его влияния на динамические и качественные показатели лесопожарной грунтометательной машины. Обоснованы оптимальные значения параметров энергосберегающего гидропривода лесопожарной грунтометательной машины.

Полевые испытания проводились в Конь-Колодезном лесничестве учебно-опытного лесхоза ВГЛТУ. В ходе проведения испытаний лесопожарная грунтометательная машина агрегатировалась с трактором ЛХТ-55. Экспериментальные осциллограммы изменения давления в гидроприводе, характеризующие работу ротора-метателя при выключенном и включенном пневмогидроаккумуляторе (ПГА), показаны на рисунке 9.

а) б)

Рисунок 9 - Экспериментальные осциллограммы давления рабочей жидкости лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом без пневмогидроаккумулятора (а) и с пневмогидроаккумулятором (б)

В результате обработки осциллограмм рабочих режимов лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом при помощи программы STATISTICA были установлены повторности отдельных величин нагрузок и построены гистограммы распределения давления без использования ПГА и с использованием ПГА. Результаты полевых исследований динамической нагруженности энергосберегающего гидропривода лесопожарной грунтометательной машины показали, что на почвах, насыщенных корнями, гистограмма распределения давления в гидросистеме сдвинута в сторону максимальных нагрузок, при этом динамическая нагруженность увеличивается в 1,3-1,5 раза. При спектральном анализе случайных рабочих процессов без использования ПГА выявлены характерные колебания нагрузок с локальными экстремумами в диапазонах 10-14 с^-1 и 19-24 с^-1, а с использованием ПГА преобладают низкочастотные колебания с частотой менее 3,25 с^-1.

Установлено, что при предварительной зарядке пневмогидравлического аккумулятора от 6 до 7 МПа запасаемая энергия имеет значения 15…17 кДж соответственно, амплитуда всплеска давления при этом варьируют в пределах 9…12,5 МПа. При значениях частоты вращения гидромотора 7…8 с^-1 наблюдаются показатели запасаемой энергии равные 10…15 кДж, а амплитуда всплесков давления в гидросистеме находится в диапазоне 11,5…12,2 МПа. Общая запасаемая аккумулятором энергия E_общ при прокладке 1 км полосы при плотности препятствий 200 шт/км может составить около 3000 кДж, что обеспечит снижение энергозатрат на 7-8 %.

Двухфакторную задачу оптимизации параметров рабочего объема V_ПГА и предварительной зарядки P_ПГА пневмогидроаккумулятора аналитически можно выразить системой уравнений:

(7)

На основании данных полнофакторного эксперимента для каждого критерия эффективности рабочего процесса были получены аналитические выражения:

E_ц (V_ПГА, P_ПГА) = 125,46 V_ПГА² + 7,36 P_ПГА² + 0,27 V_ПГА•P_ПГА - 6,14V_ПГА - 0,2 P_ПГА + 54,99; (8)

P_m(V_ПГА, P_ПГА) = 0,76 V_ПГА² - 0,36 P_ПГА² - 0,02 V_ПГА•P_ПГА + 0,12 V_ПГА + 0,01 P_ПГА + 5,03; (9)

E_общ (V_ПГА, P_ПГА) = 8,16 V_ПГА² + 7,21 P_ПГА² + 0,54 V_ПГА•P_ПГА + V_ПГА - 0,31 P_ПГА - 38,88; (10)

, (11)

где V_ПГА имеет размерность дм³,

P_ПГА - МПа, Е_ц - кДж, P_m - МПа, E_общ - кДж.

Полученные закономерности

E_ц (V_ПГА, P_ПГА), P_m (V_ПГА, P_ПГА) и E_общ (V_ПГА, P_ПГА) были отражены в виде поверхностей отклика (рисунок 10).



а)

б)

в)

Рисунок 10 - Закономерности E_ц (V_ПГА, P_ПГА) (а); E_общ (V_ПГА, P_ПГА) (б); P_m(V_ПГА, P_ПГА) (в), представленные в виде поверхностей отклика, благоприятная область (красный цвет) и неблагоприятная (фиолетовый цвет).

Анализ полученных закономерностей E_ц (V_ПГА, P_ПГА); P_m(V_ПГА, P_ПГА) и E_общ (V_ПГА, P_ПГА), представленных в виде поверхностей отклика, позволяют сделать вывод, что оптимальным параметрами гидроаккумулятора являются значения объема V_ПГА = 5...6 дм³ и давление предварительной зарядки P_ПГА = 6…7 МПа. При данных параметрах V_ПГА и P_ПГА гидроаккумулятора запасаемая за рабочий цикл энергия E_ц составляет не менее 15-17 кДж, а максимальный всплеск давления в гидросистеме P_m не более 12 МПа.

Проведенные полевые испытания экспериментального образца лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом подтвердили теоретические исследования: расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 10 %.

В пятой главе представлено технико-экономическое обоснование применения энергосберегающего гидропривода лесопожарной грунтометательной машины в производственных условиях. Установлено, что длина огреха после преодоления препятствия снижается на 0,7-1,0 м, поэтому длина эффективной полосы с новым энергосберегающим гидроприводом увеличивается на 14-20 % при плотности препятствий 200 шт/км. На расстоянии выброса грунта 7-8 м создается толщина слоя 6-8 см, а на расстоянии 10 м толщина слоя грунта составляет около 4 см.

Таким образом, проведенные полевые экспериментальные исследования подтвердили эффективность применения энергосберегающего гидропривода лесопожарной грунтометательной машины для проведения профилактических и лесопожарных работ. В результате технико-экономического обоснования внедрения энергосберегающего гидропривода лесопожарной грунтометательной машины в производство определен годовой экономический эффект (базовая модель - полосопрокладыватель фрезерный ПФ-1), который составил 495129,6 рублей при сроке окупаемости 0,5 года.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Проведенный анализ конструкций лесопожарной техники и исследований рабочих процессов показали, что наиболее эффективными являются фрезерные лесопожарные грунтометательные машины, однако они обладают низкой надежностью и маневренностью из-за громоздкого механического привода и карданного вала. Разработана конструктивно-технологическая схема новой лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом, защищенной патентом на изобретение № 2616021 и патентом на полезную модель № 196851.

2. На основе разработанной математической модели рабочего процесса энергосберегающего гидропривода изучены стадии взаимодействия ротора-метателя с почвой и препятствиями. При использовании энергосберегающего гидропривода при встрече ротора-метателя с препятствием всплески давления рабочей жидкости снижаются на 34 % и не превышают 13,0 МПа, в результате чего сокращается количество срабатываний предохранительных клапанов гидромотора, так как энергия торможения ротора-метателя порядка 15-17 кДж накапливается в гидроаккумуляторе, которая возвращается в гидросистему после преодоления препятствия и обеспечивает более быстрый разгон ротора-метателя на 1,5-2 с, что снижает длину огреха после преодоления каждого препятствия на 0,8-1,1 м.

3. При значениях коэффициента дросселирования k_ГА в трубопроводе между гидроаккумулятором и гидромотором в диапазоне 10-⁶...10-³ м³·с·Па-^1/2 энергосберегающий гидропривод запасает энергию E_ц около 8 - 9 кДж, при всплеске давления P_m около 3 МПа. При k_ГА более 10-³м³·с·Па-^1/2 гидропривод обеспечивает еще больший запас энергии и еще лучше уменьшает всплески давления, однако для реализации такого высокого коэффициента k_ГА пневмогидравлический аккумулятор должен быть непосредственно соединен с гидромотором.

4. Рациональным скоростным диапазоном вращения гидромотора n_об/с является интервал 7…8 об/с. При таких значения частоты вращения запасаемая энергия при встрече ротора с препятствием составляет E_ц = 10…15 кДж, а величина всплеска давления в гидроприводе P_m изменяется от 10 до 12,5 МПа. При увеличении частоты вращения ротора возрастает и величина всплеска давления в гидросистеме P_m до 15 МПа.

5. По результатам обработки осциллограмм при помощи программы STATISTICA построены гистограммы распределения давления без использования ПГА и с использованием ПГА, по которым дана оценка динамической нагруженности гидропривода, подтверждающая теоретические исследования. При спектральном анализе рабочих процессов без использования ПГА выявлены характерные колебания нагрузок с локальными экстремумами в диапазонах 10-14 с^-1 и 19-24 с^-1, а с использованием ПГА преобладают низкочастотные колебания с частотой менее 3,25 с^-1.

6. Экспериментальная оптимизация параметров энергосберегающего гидропривода позволила определить оптимальные значения параметров гидроаккумулятора: рабочий объем пневмогидравлического аккумулятора V_ПГА = 5…6 дм³, давление предварительной зарядки аккумулятора P_ПГА = 6…7 МПа, при которых энергосберегающий гидропривод обеспечивает следующие показатели эффективности рабочего процесса:

- запасаемую за рабочий цикл энергию E_ц не менее 15 кДж;

- максимальный всплеск давления в гидросистеме P_m не более 12 МПа;

- максимальную энергию E_общ не менее 3000 кДж.

На основании данных полнофакторного эксперимента были получены аналитические выражения для каждого показателя эффективности рабочего процесса.

7. Производительность лесопожарной грунтометательной машины с новым энергосберегающим гидроприводом увеличилась на 16-22 %. Максимальная запасаемая аккумулятором энергия E_общ при прокладке 1 км полосы при плотности препятствий 200 шт/км может составить около 3000 кДж, что обеспечит снижение энергозатрат на 7-8 %. Годовой экономический эффект от внедрения энергосберегающего гидропривода составляет 495129,6 рублей, а окупаемость дополнительных капитальных вложений составила 0,5 года.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1. Попиков П.И. Математическая модель рабочего процесса лесного пожарного грунтомета с энергосберегающим гидроприводом [Текст] / П.И. Попиков, П.Э. Гончаров, А.В. Шаров // Лесотехнический журнал. - 2017. - № 4. - С. 182-189.

2. Бартенев И.М. Особенности численного интегрирования системы дифференциальных уравнений рабочего процесса почвообрабатывающей машины с гидроприводом для профилактики и тушения лесных пожаров [Текст] / И.М. Бартенев, П.И. Попиков, А.В. Шаров, Н.А. Шерстюков // Лесотехнический журнал. - 2018. - № 3 (31). - С. 170-176.

3. Драпалюк М.В. Повышение эффективности рабочего процесса лесопожарной грунтометательной машины с гидроприводом ротора [Текст] / М.В. Драпалюк, П.И. Попиков, Д.С. Ступников, А.В. Шаров, Н.А. Шерстюков // Лесотехнический журнал. - 2019. - Т. 9. № 1 (33). - С. 147-152.

4. Малюков С.В. Многофакторная оптимизация параметров фрезерного рабочего органа лесопожарной грунтометательной машины [Текст] / С.В. Малюков, Д.С. Ступников, А.В. Шаров, А.С. Ступников / Лесотехнический журнал. - 2019. - Т. 9. № 3 (35). - С. 172-179.

5. Попиков П.И. Влияние режимов работы лесопожарной грунтометательной машины с гидроприводом на показатели эффективности [Текст] / П.И. Попиков, В.П. Попиков, А.В. Шаров, А.Ф. Петков, А.К. Поздняков // Лесотехнический журнал. - 2020. - Т. 10. № 1 (37). - С. 209-217.

В изданиях, входящих в базы данных Scopus

6. Popikov P.I. Increasing the efficiency of the working process of a forest fire ground-sweeping machine with an energy-saving hydraulic drive of the throwing rotor / P.I. Popikov, M.A. Gnusov, V.P. Popikov, A.V. Sharov // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng, 1001 012021. - 2020.

Патенты и свидетельства РФ

7. Пат. № 2616021 РФ, МПКЕ02F 3/18. Лесопожарная грунтометательная машина [Текст] / М.В. Драпалюк, П.Э. Гончаров, Д.С. Ступников, А.В. Шаров; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова». - № 2016104672; заявл. 11.02.16; опубл. 12.04.17, Бюл. № 11 - 8 с.

8. Пат. №196851 РФ, МПКА62С 27/00, Е02F 3/18. Лесопожарная грунтометательная машина с энергосберегающим гидроприводом [Текст] / П.И. Попиков, П.Э. Гончаров, Д.С. Ступников, А.В. Шаров; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова». - № 2019142070; заявл. 16.12.2019; опубл. 18.03.2020, Бюл. № 8 - 8 с.

В других изданиях и материалах конференций

9. Новое мобильное техническое средство для профилактики и тушения лесных пожаров [Текст] / П.Э. Гончаров, М.В. Драпалюк, М.Н. Лысыч, П.С. Шанин, Д.Н. Родионов, А.В. Шаров // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции. Воронеж, 2015. - № 9, ч. 2 (20-2). - С. 22-27.

10. Попиков П.И. Моделирование рабочего процесса лесного пожарного грунтомета с энергосберегающим приводом [Текст] / П.И. Попиков, П.Н. Щеблыкин, А.В. Шаров // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2017. - Т. 5. № 4 (30). - С. 251-257.

11. Попиков П.И. Моделирование срабатывания предохранительных устройств лесного пожарного грунтомета [Текст] / П.И. Попиков, П.Н. Щеблыкин, А.В. Шаров, А.С. Буравлев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2017. - Т. 5. № 1 (27). - С. 336-340.

12. Драпалюк М.В. Обоснование основных параметров машины для профилактики и тушения лесных пожаров с гидроприводом рабочих органов [Текст] / М.В. Драпалюк, Д.С. Ступников, А.В. Шаров / Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2018. - Т. 6. № 7 (43). - С. 53-56.

13. Попиков П.И. Экспериментальные исследования энергосберегающего гидропривода противопожарного грунтомета [Текст] / П.И. Попиков, Д.С. Ступников, А.В. Шаров // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2018. - № 4 (40). - С. 378-383.

14. Попиков П.И. Теоретические исследования рабочего процесса лесного пожарного грунтомета с энергосберегающим приводом [Текст] / П.И. Попиков, П.Н. Щеблыкин, А.В. Шаров, Н.А. Шерстюков, Ю.В. Мирошников // Энергоэффективность и энергосбережение в современном производстве и обществе: сборник научных трудов международной научно-практической конференции, Воронеж, 06 - 07 июня 2018 г. - С. 151-156.

15. Шаров А.В. Результаты экспериментальных исследований лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом ротора [Текст] / А.В. Шаров // Воронежский научно-технический вестник № 4 (30) декабрь 2019 г. - С. 107-113.

Размещено на Allbest.ru