Оптимизация конструкции кустореза с упорами-улавливателями порослевин на основе лабораторных экспериментов

На основе лабораторного экспериментального исследования определены оптимальные параметры кустореза с упорами-улавливателями порослевин. Исследовано влияние частоты вращения фрезы, скорости подачи порослевин на фрезу, высоты установки упоров-улавливателей по отношению к оси фрезы, зазора между упором-улавливателем и фрезой на показатели качества удаления поросли и энергетические затраты Ключевые слова: КУСТОРЕЗ, ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ, ОПТИМИЗАЦИЯ, УПОРЫ-УЛАВЛИВАТЕЛИ ПОРОСЛЕВИН В лесном хозяйстве при выращивании молодых сеянцев необходимо устранять нежелательную кустарниковую растительность в междурядьях. Существующие кусторезы и осветлители, например, кусторез-осветлитель КОМ-2,3, не удаляют некоторую долю порослевин, особенно имеющих малое сопротивление изгибу [1]. Такие порослевины отклоняются и не перерезаются полностью ножами кустореза, поэтому продолжают расти после прохода. Это приводит к снижению срока между проходами и увеличению их количества. порослевина фреза упор улавливатель В кусторезе новой конструкции, предложенном нами ранее, создаются благоприятные условия для срезания поросли, и таким образом повышается эффективность работы кустореза. Новизна кустореза заключается в установке специальных упоров-улавливателей перед режущим рабочим органом типа цилиндрической фрезы (рис. 1). Упоры-улавливатели обеспечивают подпор поросли при фрезеровании и более полное ее уничтожение. При этом упоры-улавливатели выполнены в виде двугранного клина с поперечной пластиной. Упоры-улавливатели установлены в ряд и одновременно захватывают весь набегающий на кусторез поток порослевин. Центральный угол при вершине клина выбирается равным половине или менее угла трения древесины по стали, что обеспечивает свободный проход порослевин и исключает сгруживание их между упорами-улавливателями.

Кусторез (рис. 2) изготовлен и испытан в лабораторных условиях. Фреза приводится во вращение гидромотором, частоту вращения которого можно изменять регулировкой подачи насосной станции. Подача платформы с закрепленными на ней в ряд порослевинами осуществляется электродвигателем через трос и систему блоков. Напряжение на тензоэлементах, установленных в узле привода фрезы, автоматически считывается устройством ADAM и преобразуется на компьютере в зависимость момента сопротивления на фрезе от времени M(t) [2, 3].

Рис. 1 Упоры-улавливатели кустореза новой конструкции

Рис. 2 Внешний вид лабораторной установки для оптимизации параметров кустореза новой конструкции

Интегрирование данной зависимости позволяет определить среднюю потребляемую кусторезом мощность N при срезании ряда порослевин.

.

где t₁ и t₂ — моменты времени, в которые фреза начинает и заканчивает контактировать с порослевинами; щ₀ — угловая скорость вращения фрезы.

Первые эксперименты показали, что кусторез новой конструкции удаляет поросль эффективнее серийного прототипа КОМ-2,3. Наличие упоров-улавливателей приводит к прижиманию порослевин к фрезе и вероятность удаления поросли заметно повышается.

Цель данной работы заключалась в определении оптимальных конструктивных и эксплуатационных параметров кустореза на основе экспериментального лабораторного исследования.

С точки зрения оптимизационной постановки задачи можно выделить три группы переменных, характеризующих эксперимент [4]. Первая группа представляет совокупность конструктивных и технологических параметров кустореза, которые могут быть заданы на необходимых уровнях в процессе проведения эксперимента. Из большого количества доступных к изменению параметров выбраны четыре основных фактора, оказывающих наиболее существенное влияние на эффективность процесса удаления порослевин:

щ₀ — частота вращения фрезы;

v_под — скорость подачи порослевин на фрезу;

h_у — высота установки упоров-улавливателей по отношению к оси фрезы;

l_у — зазор между упором-улавливателем и фрезой.

Во вторую группу входят параметры порослевин, которые можно изменять подбором подходящих порослевин:

П — порода древесины;

d_п — характерный диаметр порослевин;

h_п — характерная высота порослевин.

N_п — плотность порослевин (количество на единицу площади).

К третьей группе (показатели эффективности) относятся характеристики процесса удаления поросли, подлежащие измерению в ходе экспериментальных исследовний. В качестве них приняты:

p — вероятность удаления порослевины кусторезом (показатель качества работы кустореза);

N — затрачиваемая кусторезом мощность (показатель экономичности кустореза).

Задача оптимизации заключается в том, чтобы найти оптимальные диапазоны параметров кустореза (факторов), так чтобы показатели эффективности (критерии) были наилучшими и при этом желательно, чтобы кусторез был эффективен независимо от значений параметров поросли. Аналитически задача оптимизации записывается следующим образом [5, 6].

Поиск двойного оптимума в четырехфакторном пространстве с условиями независимости от еще четырех факторов является чрезвычайно сложной задачей [7]. В лабораторном эксперименте такая задача была решена в два этапа. На первом этапе исследованы зависимости от каждого отдельного фактора: щ₀, v_под, h_у, l_у, П, d_п, h_п, N_п. Каждый из перечисленных факторов варьировался на 3 … 10 уровнях при фиксированных значениях остальных факторов, и делался соответствующий вывод о наилучшем значении параметров кустореза щ₀, v_под, h_у, l_у или о влиянии параметров поросли П, d_п, h_п, N_п. На втором этапе были решены две частные двухфакторные задачи оптимизации:

1. 2.

При этом конструктивные параметры удалось разбить на две практически независимых друг от друга группы: кинематические параметры щ₀, v_под и параметры установки упора-улавливателя h_у, l_у.

Остановимся подробно только на результатах решения второй задачи оптимизации, так как элементы новизны кустореза связаны именно с установкой упоров. Малое количество находящихся в рассмотрении факторов позволило провести полный факторный эксперимент. Для этого была проведена серия экспериментов в пределах которой h_у варьировали на уровнях: -4, 0, 4 см, l_у варьировали на уровнях 2, 4, 6 см (табл. 1).

Табл. 1.

Результаты экспериментального исследования влияния параметров установки упора-улавливателя на эффективность кустореза.

Для корректного расчета вероятности удаления p в каждой экспериментальной точке (h_у, l_у) проведено по пять отдельных экспериментов по удалению кусторезом восьми закрепленных в ряд порослевин. Порода древесины порослевин — осина, диаметр — около 1,0 см.

Для удобства анализа результаты эксперимента аппроксимированы полиномом второго порядка с помощью метода наименьших квадратов с использованием математического пакета MathCAD 2000 [3]:

p(h_у, l_у) = 1,88· 10-³ h_у² + 9,47· 10-⁴ l_у² +7,62· 10-⁴ h_у l_у +.

+ 0,018 h_у — 0,023 h_у + 0,941;

N(h_у, l_у) = -0,013 h_у² + 0,036 l_у² -9,95· 10-⁴ h_у l_у + 0,118 h_у ;

— 0,46 h_у + 4,07.

В данных формулах h_у и l_у измеряются в сантиметрах, N в киловаттах.

Благодаря малому количеству факторов появляется возможность графически изобразить поверхности отклика p(h_у, l_у) и N(h_у, l_у) и провести их визуальный анализ (рис. 3). Кроме того, на рис. 4 представлены поверхности отклика в виде линий уровня.

Основным фактором, определяющим вероятность удаления порослевины является высота расположения упора по отношению к оси фрезы h_у (рис. 3, а, 4, а). С увеличением h_у возрастает вероятность p так как высокое расположение упора не дает отклоняться порослевинам. При этом, с увеличением h_у, увеличивается также и потребляемая кусторезом мощность N, так как необходимо не просто отклонить порослевину, а качественно ее срезать (рис. 3, б, 4, б). Кроме того, мощность N увеличивается с уменьшением расстояния от упора до фрезы l_у. При малых расстояниях l_у порослевина находится в плотном контакте с упором и фрезой, что затрудняет срезание и требует больших затрат мощности. При больших же расстояниях l_у порослевина находится в менее поджатом состоянии, поэтому процесс срезания проходит с меньшими затратами мощности.

Рис. 3 Поверхности отклика к оптимизации параметров установки упора-улавливателя

На рис. 4, а, б затемнены благоприятные области факторного пространства. В качестве границ областей выбраны изолинии p = 0,90 (достаточно высокая вероятность удаления порослевины) и N = 3,0 кВт (достаточно низкая потребляемая мощность). На рис. 4, в приведено пересечение благоприятных областей. В наиболее затемненной области достаточно велика вероятность удаления порослевины, и в то же время достаточно мала потребляемая мощность. Оптимальная область имеет расположена ориентировочно при 1,0 < h_у < 4,0 см и 3,5 < l_у < 8,0 см.

Рис. 4 Благоприятные области факторного пространства (h_у, l_у) (затемнены) на поверхностях отклика, представленных линиями уровня

Таким образом, на основе проведенного лабораторного экспериментального исследования можно рекомендовать высоту установки упоров-улавливателей от 1 до 4 см вверх относительно оси фрезы; и зазор между упором и фрезой от 3,5 до 8,0 см. При такой установке упоров-улавливателей порослевины гарантированно удаляются (вероятность более 0,9) и, одновременно, невелика мощность потребляемая кусторезом (менее 3 кВт).

• 1. Бартенев, И. М. Система машин для лесного хозяйства и защитного лесоразведения [Текст]: учеб. пособие / И. М. Бартенев, М. В. Драпалюк, М. Л. Шабанов; ГОУ ВПО ВГЛТА. Воронеж, 2010. 215 с.
• 2. Технологии и механизация лесохозяйственных работ [Текст]: учеб. пособие / И. М. Бартенев, М. В. Драпалюк, П. Э. Гончаров, С. В. Дорохин, В. А. Смирнов; ГОУ ВПО ВГЛТА. Воронеж, 2010. 136 с.
• 3. Бухтояров, Л. Д. Математическое моделирование при проектировании лесных машин [Текст]: метод. указания / Л. Д. Бухтояров, П. И. Попиков, Р. В. Юдин; ГОУ ВПО ВГЛТА. Воронеж, 2009. 95 с.
• 4. Федоров, В. В. Теория оптимального эксперимента [Текст]: учеб./ В. В. Федоров. М.: ГРФМЛ изд-ва Наука, 1971. 312 с.
• 5. Финни, Д.

  Введение

  в теорию планирования экспериментов [Текст]: учеб./ Д. Финни. Пер. с англ. М.: ГРФМЛ изд-ва Наука, 1970. — 287 с.

• 6. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст]: учеб./ Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. М.: Наука, 1976. 279 с.
• 7. Мельников, С. В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов [Текст]: учеб. пособие / С. В. Мельников, В. Р. Алешкин, П. М. Рощин. Л.: Колос, 1980. 168 с.