Введение

Актуальным вопросом на стадии проектирования лесопожарных грунтометательных машин, является повышение эффективности тушения лесных пожаров, за счет  удаления лесной подстилки, чтобы она не попадала вместе со струей грунта в зону огня. Для этих целей, на наш взгляд более всего подходят шнековые рабочие органы.  В настоящее время шнековые рабочие органы применяются на различных технологических машинах.

В работе Лобанова Г. Л. [1] математическая модель взаимодействия стеблей растений с ножами шнековых рабочих органов включает уравнения проекций скоростей крайних точек ножа на оси координат в параметрическом виде. Определены численные значения  параметров режущего аппарата в уравнения в программе Microsoft Excel и выявлена траектория  движения ножа при  срезании стеблей растений. Однако, предложенная математическая модель - это система уравнений первого порядка. Она не содержит производных второго порядка, т.е. не учитывает второй закон Ньютона.

В расчетах Хайбуллина Р.Р. [3] на основе анализа математической модели выкопки траншей под фундамент рабочим органом землеройной машины получены зависимости сопротивления грунта, скорости бурения, фрезерования, размыва грунта, а также мощности и энергоемкости. Следует отметить, что данная математическая модель является линейной по искомым функциям x,φ . Линейная модель сильно огрубляет описание реального процесса: для угла φ , близкого к 0, в силу первого замечательного предела допустима  замена sinkφ  на φk , k=0,1,2,…,  но при больших значениях φ  такая замена влечет накопление погрешности в вычислениях.

 В работе Согина А.В. [5] на основании математической модели, включающей уравнения движения шнекового рабочего органа при разработке донных отложений в водоемах, обоснованы его оптимальные параметры. Однако, математическая модель шнекового рабочего органа хотя и является нелинейной по искомой функции скорости V , но VdVdx=dV2 , поэтому сводится к линейной, и функция V  находится в явном виде. Кроме того шнек движется  параллельно своей оси, а в составе лесопожарных грунтометательных машин  ось шнеков расположена  перпендикулярно направлению движения трактора..

В работе Закирова М.Ф. [2] проводились исследования влияния шага шнека на мощность привода питателя малогабаритного шнекороторного снегоочистителя. Шнековый рабочий орган выполнен в виде барабана диаметром 0,3 м, к которому приварена ленточная лопасть шириной 0,7 м и шагом 0,3 м с углом подъема лезвия шнека около 17,8°. Установлено, что мощность привода шнекового питателя расходуется на вырезание снега из массива и на перемещение снега питателем.

       В работах Бартенева И.М. и Nunez-Regueira. L. [4, 8] выполнено математическое моделирование рабочих процессов шнековых рабочих органов лесопожарной машины, с использованием метода конечных элементов, при котором лесной грунт представляется множеством (порядка 6000) шарообразных элементов.    Определена оптимальная высота ленты шнекового барабана в пределах 8-10 см.  При метании грунта доля напочвенного покрова составила 11-15 %, мощность на привод шнека   11-16 кВт. Однако кинематические и динамические характеристики шнековых рабочих органов авторами не изучались.

В работе [16] представлены математические модели для определения удельных затрат энергии при резании и метании грунта, включающего  лесную подстилку, которая представляет собой волокнистую среду. При  использовании  законов  теории упругости и пластичности  автором разработана методика и получены уравнения для определения  энергоемкости резания и метания активным рабочим органом грунтомета. лесных почв с подстилкой и  древесными включениями.

Однако исследований динамических и кинематических характеристик шнековых рабочих органов при удалении напочвенного покрова с горючими растительными остатками проведено, на наш взгляд, недостаточно.    

 Поэтому целью наших исследований является повышение эффективности работы лесопожарных грунтометательных машин за счет обоснования параметров шнековых рабочих органов путем моделирования процесса   удалении напочвенного покрова с горючими растительными остатками.

Материалы и методы

Нами предлагается конструктивно-техноло-гическая схема лесопожарной грунтометательной машины с многофункциональными модулями:  шнековых рабочих органов c зубьями или черенковыми ножами, которые возможно менять модульно с винтовой металлической нарезкой на щеточную, в зависимости от участка и вида почвы в зависимости от участка и вида почвы, ротора метателя  с возможностью замены на роторы-метатели с различной формой и расположением лопаток, осуществлять привод фрез – метателей и шнековых рабочих органов от вала отбора мощности трактора, так и от гидромоторов, регулируемого кожуха-направителя с возможностью изменять направленный поток грунта [10].

Согласно расчетной схемы шнекового рабочего органа (рис. 1) нами оставлена математическая модель шнекового рабочего органа с гидроприводом для удаления напочвенного покрова с лесной подстилкой, чтобы горючие материалы не попадали в зону огня вместе с потоком грунта от ротора-метателя. Черенковые ножи, закрепленные на барабане, прорезают щели в напочвенном покрове и измельчают крупные порубочные остатки, способствуя эффективной работе шнековых рабочих органов.

Рабочий процесс шнековых рабочих органов лесопожарной грунтометательной машины описан системой дифференциальных уравнений, включающей уравнения поступательного и вращательного движения шнекового рабочего органа, а также   уравнением расходов рабочей жидкости в гидроприводе:

1) Mш+Mгрd2xdt2=Px-Gш+Gгр+Pzf+1+f2∙cosφ+arcctgf∙Pр+Pтр+1+f2∙cosφ+arcctgf ;

2) Iпрd2φdt2=qM2π∙p+Gш+Gгр+PzPf-R+r2+PfcosφPр+Pтр-R+r2+Pfcosφ ;

3) qнnн=qMπ∙dφdt+ay∙p+Кр∙dpdt,

где Мш, Мгр – масса шнека и  напочвенного покрова на шнеке, кг;

Gш, Gгр – силы тяжести шнека и  напочвенного покрова на шнеке, Н; 

f – коэффициент трения скольжения;

R – радиус шнека, м;

L – длина шнека, м;

h – глубина удаляемого покрова (0,10…0,15), м;

t – время, с;

Iпр – приведенный к валу гидромотора момент инерции, кг·м²;

b – ширина рабочей грани черенкового ножа, м;

b – угол заточки черенкового ножа, град;  Zн-количествоножей,находящихсявконтактеспочвой;       

α – угол наклона винтовой лопасти от перпендикуляра к оси шнека, град;

φ  – угол поворота вала шнека, рад;

q_н,, q_м  – рабочие объемы насоса и гидромотора, м³/об;

р – давление рабочей жидкости, Па;

a_Y – коэффициент утечек, м³/(с^.Па);

n_H – частота вращения насоса, с^-1;

k_P – коэффициент податливости упругих элементов гидропривода, м⁵/(Н^.с);

К – удельное сопротивление резанию черенкового ножа;

τ  – сопротивление сдвигу напочвенного покрова, Па;

φтр  – угол трения почвы о винтовую поверхность шнека, град;

s  – шаг винтовой ленты, м.

Рисунок 1. Расчетная схема шнекового рабочего органа (собственные разработки). Vтр – скорость трактора, Gш, Gгр – силы тяжести шнека и грунта на шнеке, Рz – сила пружины предохранителя, Fтр – сила сопротивления перекатыванию
шнека, N – реакция поверхности почвы, Мк – крутящий момент гидромотора, Fc – сила сопротивления резанию,

Px – тяговая сила, Pи – сила инерции

Figure 1. Design scheme of the screw working body (own developments). Vtr is the tractor speed, Gsh, Ggr is the gravity force of the auger and the soil on the auger, Pz is the spring force of the safety device, Ftr is the resistance to rolling of the auger, N is the reaction of the soil surface, Mk is the torque of the hydraulic motor, Fc is the cutting resistance force, Px is traction force, Pi – force of inertia