Уход за культурами, создаваемыми на вырубках, является одной из важнейших операций технологического процесса лесовосстановления, определяющей сохранность культур и их развитие. Эта операция выполняется в течение ряда первых лет несколько раз за сезон, и на ее долю приходится не менее 40% всех материальных затрат на создание культур.
В настоящий момент для ухода за культурами на вырубках применяют культиваторы с дисковыми рабочими органами (КЛБ-1,7, КДС-1,8 и др.). Диски хорошо преодолевают препятствия в виде корней и пней, практически, не забиваются почвой и растительной массой, но недостаточно полно уничтожают сорную растительность и неустойчивы по глубине обработки почвы. В результате требуется не менее чем двукратный проход культиватора по одному следу при каждом уходе. Это значительно увеличивает материальные затраты и в два и более раза срок пребывания энергетического средства (трактора) на одной операции в ущерб другим работам в хозяйстве.
Для повышения качества и экономической эффективности проведения уходов за культурами на вырубках был разработан ряд новых почвообрабатывающих рабочих органов. Они способны обеспечить высокое качество уничтожения нежелательной растительности и приемлемые прочностные характеристики с минимальной энергоемкостью процесса агротехнического ухода.
Предлагаемый комбинированный рабочий орган представляет собой совокупность серийной стрельчатой лапы культиватора КРТ-3 и ножа криволинейной формы, радиус кривизны которого переменный, имеющий большее значение в его передней части для обеспечения свободного скольжения ножа по поверхности препятствия, причем криволинейный нож установлен ниже опорной поверхности лемешного рабочего органа (рисунок 1, а). Он состоит из серийной стойки 1, ножа 5 и стрельчатой лапы 6. Нож выполнен как единая сварная деталь, состоящая из верхнего 2 и нижнего 3 кронштейнов крепления к стойке и лобовика 4. Такое конструктивное решение позволят надежно закреплять нож при помощи болтовых соединений, без какого либо изменения конструкции стойки, а паз, прорезанный в носке стрельчатой лапы, значительно повышает жесткость и уменьшает габариты рабочего органа [3].
Для проведения сравнительных испытаний был создан
дисковый рабочий орган с индивидуальной стойкой (рисунок 1, б).
Он состоит из стойки 1, верхней неподвижной 2 и нижней 3 поворотных
плит, имеющих ряд отверстий для изменения угла атаки (
).
К стойке болтовым соединением крепятся корпус подшипника скольжения,
состоящий из верхней 4 и нижней 5 крышек, в котором устанавливается
вал 6 с жестко закрепленным на нем сферическим диском 7. Используется
стандартный цельнокрайний диск диаметром 510 мм.
Для обоснования и оптимизации параметров рабочих органов и изучения кинематики и динамики процесса преодоления препятствий был создан ряд твердотельных моделей рабочих органов в САПР SolidWorks. Их испытание проводилось на виртуальном стенде средствами приложения COSMOSMotion [1] (рисунок 2). Стенд состоит из основания 1, двух цилиндрических направляющих 2, каретки 3 и условно обозначенной земли 4. На каретке, имеющей возможность прямолинейного движения без трения, закреплялась модель секции 5 культиватора КРТ-3 с серийным, дисковым и экспериментальным 6 рабочими органами. В основании жестко устанавливался пень 7.
В приложении COSMOSWorks методом конечных элементов были проведены прочностные исследования моделей комбинированного рабочего органа с различными геометрическими параметрами. Установлены наиболее опасные варианты нагружения: боковая нагрузка, прикладываемая к ножу в области лобовика, и нормальная нагрузка, прикладываемая к крайней точке режущей кромки крыла стрельчатой лапы, по которым проводились дальнейшие прочностные испытания.
По результатам динамических и прочностных исследований комбинированного рабочего органа была проведена оптимизация его геометрических параметров.
Для оптимизации угла вхождения αуст и толщины вн ножа определяли экстремумы четырех частных критериев оптимизации: критическая сила Fmax н (αуст, вн), по достижении которой происходит разрушение конструкции; тяговое сопротивление Rн (αуст, вн) рабочего органа; абсолютный показатель динамики при въезде на препятствие δдв (αуст, вн) и при сходе с препятствия δдс, (αуст, вн) (рисунок 3). Необходимо решить следующие задачи оптимизации:
Fmax
н (αуст,
вн)→mах;
Rн (αуст, вн)→min;
-
δдв
(αуст,
вн)
→min;
- δдс, (αуст, вн) →min.
- δдс, (αуст, вн) →min.
Для оптимизации ширины захвата вл и площади критического сечения Sл стрельчатой лапы находились экстремумы двух частных критериев оптимизации: критическая сила Fmax л (Sл, вл ), по достижении которой происходит разрушение стрельчатой лапы, и тяговое сопротивление Rл(Sл, вл ) (рисунок 4). Откуда
Fmax
л (Sл,
вл
)→mах;
Rл(Sл, вл )→min.
Полученные оптимальные параметры комбинированного рабочего органа обеспечивают необходимый запас прочности, приемлемые динамические характеристики и минимальное тяговое сопротивление. Для ножа: угол установки от 105 до 120 град при его толщине от 5 до 7 мм. Для стрельчатой лапы: ширина захвата от 260 мм до 270 мм при площади поперечного сечения критической области в основании крыла от 660 до 710 мм2 [2].
Выводы. Оптимизация параметров рабочих органов с использованием имитационного моделирования реализованного средствами САПР позволяет определять их кинематические и динамические характеристики при различных высотах препятствий и характере взаимодействия с минимальными затратами средств и времени. Это также дает возможность на стадии проектирования устанавливать характер распределения запаса прочности отдельных элементов рабочих органов. Полученные с его помощью оптимальные параметры комбинированного рабочего органа обеспечивают необходимый запас прочности, приемлемые динамические характеристики и минимальное тяговое сопротивление.
- Литература:
Алямовский, А. А. SolidWorks Компьютерное моделирование в инженерной практике [Текст] / Алямовский А. А. [и др.] – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 800 с.: ил.
Лысыч Михаил Николаевич. Обоснование параметров рабочего органа и режимов работы лесного культиватора [Текст] : диссертация ... кандидата технических наук : 05.21.01 / Лысыч Михаил Николаевич; [Место защиты: Воронеж. гос. лесотехн. акад.].- Воронеж, 2010.- 192 с.: ил.
Пат. 2319329 РФ, МКИ A01B49/02, 76/00. Комбинированное почвообрабатывающее орудие [Текст] / И. М. Бартенев, М. Н. Лысыч, А. А. Кузнецов; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. – № 2006127356/12; заявл. 27.07.2006; опубл. 20.03.2008, Бюл. № 12. – 3 с.
