Оптимизация конструктивно-технологических параметров устройства для обработки почвы на вырубках

Аннотация

В статье приведены результаты оптимизации конструктивно-технологических параметров устройства для клумбовой обработки почвы на вырубках. Приводится описание подходов к моделированию процесса клумбовой обработки почвы, оптимизационной математической модели обработки почвы и полученных в процессе моделирования результатов Ключевые слова: искусственное лесовосстановление, клумбовая обработка, математическое моделирование, оптимизация.

Annotation

Optimization of design and technological parameters of a device for soil treatment on tree felling.

The results of the optimization of the design and technological parameters of a device for circular soil tillage in forest cutovers have been obtained. The description of the approaches to modeling of circular soil tillage, optimization mathematical model of soil tillage and obtained results are given in the article.

Keywords: artificial regeneration, circular soil processing, mathematical modeling, optimization.

Площади вырубаемых лесов в нашей стране ежегодно восстанавливаются естественным и искусственным путем. При искусственном лесовосстановлении решаются задачи создания продуктивных и устойчивых насаждений, а также максимальное использование потенциала лесорастительных условий и сохранения экологической обстановки лесокультурных площадей. Обработка почвы является необходимой операцией при искусственном лесовосстановлении.

Общая цель обработки почвы сводится к улучшению их физических свойств, водного и теплового режима, водного и минерального питания культур, активизации деятельности микроорганизмов в почве, а также к устранению вредного влияния на культуры травянистой растительности.

Большинство машин для обработки почвы применяемых в настоящее время, требуют очистку вырубки от пней и порубочных остатков, так же существуют ряд машин способных работать на не раскорчёванных вырубках с количеством пней до 600 на га.

Разработанное устройство может работать на вырубках с количеством пней более 600 на га. Это достигается использованием рабочих органов с изменяемыми параметрами. [1−6].

Рисунок 1 Внешний вид машинно-тракторного агрегата для обработки почвы круговыми площадками.

Машинно-тракторный агрегат (рисунок 1) состоит из базовой машины и устройтсва, состоящего из рамы, имеющей возможность отклонения от продольной оси при помощи гидроцилиндров, на которой установлена балка имеющая возможность неограниченного вращения вокруг оси. На балке установлены рабочие органы, состоящие из дискового ножа, стойки и узла поворота дискового ножа. Рабочие органы перемещаются вдоль балки посредством гидроцилиндров. Вращение балки осуществляется посредством цепной передачи от редуктора с приводом от вала от отбора мощности.

Технологическая схема работы машинно-тракторного агрегата для обработки почвы круговыми площадками представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема работы машинно-тракторного агрегата для обработки почвы круговыми площадками.

Машинно-тракторный агрегат на лесокультурной площади занимает рабочую позицию, и при этом и корпус плуга и дисковый нож находятся в положении наиболее близком к вертикальному шарниру. После этого включается привод вращения горизонтальной балки вокруг вертикального шарнира, и с помощью подъёмно-навесной системы происходит опускание вращающегося плуга до заглубления корпуса плуга и дискового ножа в почву на заданную глубину. Далее включаются гидроцилиндры привода корпуса плуга и дискового ножа, перемещающие их синхронно с вращением горизонтальной балки к крайним положениям, в процессе чего происходит вспашка почвы в круговой области под вращающимся плугом. После окончания пахоты вращающийся плуг поднимается с помощью подъёмно-навесной системы в транспортное положение. Произведя обработку почвы на одной рабочей позиции, машинно-тракторный агрегата переезжает на следующую, на которой цикл повторяется.

Блок-схема модели технологического процесса обработки почвы круговыми площадками представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 Блок-схема технологического процесса вспашки вырубки.

клумбовый почва вспашка вырубка Основные технологические операции связаны с подготовкой рабочих органов к вспашке и обратно к переезду: переход рабочих органов из транспортного положения в рабочее, разгон органов и их заглубление, затем непосредственно осуществляется вспашка, торможение органов и перевод их в транспортное положение. На основе приведённых схем функционирования машинно-тракторного агрегата для обработки почвы круговыми площадками была реализована в Microsoft Office Excel математическая модель, описывающая затраты ресурсов на выполнение операций обработки, внешний вид модели приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 Общий вид разработанной математической модели.

Для оптимизации конструктивно-технологических параметров устройства для обработки почвы на вырубках в рамках математической модели рассматривались 3 типа установок, рассчитанных для обработки почвы площадками диаметром 1, 2 и 3 м. Для каждого типа установок были определены требуемые мощности установок, временные параметры обработки, материалоемкость. Затем в рамках оптимизации рассматривалась наиболее эффективная комбинация машин, необходимая для обработки вырубки различной площади в течение 10 дней.

В качестве критерия оптимизации были выбраны минимальные значения материалоемкости и энергоемкости, описанные в рамках одного комплексного критерия. Результаты оптимизации для площади вырубки 10 га с использованием встроенной функции «Поиск решения» приведены на рисунке 5, для площади 50 га на рисунке 6, для площади 100 га на рисунке 7. В рамках оптимизации установлено, что наиболее эффективной комбинацией обрабатывающих машин для площади обработки 10 га и продолжительность 10дн. будет 2 машины с рабочим органом размерами 1 м и 5 машин с рабочим органом размером 3 м.

Для площади обработки 50 га и продолжительность 10дн. оптимальным сочетанием будет 6 машины с рабочим органом размерами 1 м и 25 машин с рабочим органом размером 3 м.

Рисунок 5 Результаты оптимизации по комплексному критерию с нулевых (а) и отчет об устойчивости (б) для площади вырубки 10 га.

Рисунок 6 Результаты оптимизации (а) и отчет об устойчивости (б) для площади вырубки 50 га.

Для площади обработки 100 га и продолжительность 10дн. Оптимальное количество машин составит 12 машин с рабочим органом размерами 1 м и 50 машин с рабочим органом размером 3 м.

Таким образом, представленные подходы оптимизации могут быть использованы для подбора оптимальных комбинаций обрабатывающих машин для любых условий работы. Результаты, получаемые при оптимизации, определяются конкретными условиями моделирования, являются повторяемыми и имеют явную зависимость, в рамках которой количество машин увеличивается с увеличением обрабатываемой площади.

Рисунок 7 Результаты оптимизации (а) и отчет об устойчивости (б) для площади вырубки 100 га.

Библиографический список

• 1. Жуков, А. В. Теория лесных машин / А. В. Жуков. — Минск: БГТУ, 2001. -640 с.
• 2. Ширнин, Ю. А. Процессы комплексного освоения участков лесного фонда при малообъемных лесозаготовках: Научное издание / Ю. А. Ширнин, К. П. Рукомойников, Е. М. Онучин; Под ред. Ю. А. Ширнина. — Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. — 196 с.
• 3. Сидыганов, Ю. Н. Модульные машины для рубок ухода и лесовосстановления: монография / Ю. Н. Сидыганов, Е. М. Онучин, Д. М. Ласточкин. — Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2008. — 336 с.
• 4. Александров, В. А. Механизация лесосечных работ в России / В. А. Александров. — СПб.: СПбЛТА, 2000. — 208 с.
• 5. Александров, В. А. Модифицированные сельскохозяйственные тракторы для лесозаготовок / В. А. Александров, Н. А. Гуцелюк, С. Ф. Козьмин. — М.: ВНИПИЭИлеспром, 1986. — 24 с.
• 6. Заикин, А. Н. Теория, методы и модели интенсификации лесосечных работ, монография / А. Н. Заикин. — Брянск: БГИТА, 2009. — 212 с.

References.

• 1. Zhukov, A.V. Teorija lesnyh mashin / A.V.Zhukov. — Minsk: BGTU, 2001. -640 s.
• 2. Shirnin, Ju.A. Processy kompleksnogo osvoenija uchastkov lesnogo fonda pri maloob#emnyh lesozagotovkah: Nauchnoe izdanie / Ju.A.Shirnin, K.P.Rukomojnikov, E.M.Onuchin; Pod red. Ju.A.Shirnina. — Joshkar-Ola: MarGTU, 2005. — 196 s.
• 3. Sidyganov, Ju.N. Modul’nye mashiny dlja rubok uhoda i lesovosstanovlenija: monografija / Ju.N.Sidyganov, E.M.Onuchin, D.M.Lastochkin. — Joshkar-Ola: Marijskij gosudarstvennyj tehnicheskij universitet, 2008. — 336 s.
• 4. Aleksandrov, V.A. Mehanizacija lesosechnyh rabot v Rossii / V.A.Aleksandrov. — SPb.: SPbLTA, 2000. — 208 s.
• 5. Aleksandrov, V.A. Modificirovannye sel’skohozjajstvennye traktory dlja lesozagotovok / V.A.Aleksandrov, N.A.Guceljuk, S.F.Koz'min. — M.: VNIPIJeIlesprom, 1986. — 24 s.
• 6. Zaikin, A. N. Teorija, metody i modeli intensifikacii lesosechnyh rabot, monografija / A.N. Zaikin. — Brjansk: BGITA, 2009. — 212 s.