THE RESULTS OF SIMULATION MODELING OF THE WORKING PROCESS OF THE ROTOR-THROWER OF A FOREST FIRE SOIL-THROWING MACHINE
Abstract and keywords
Abstract (English):
When solving the problem of increasing the efficiency of a forest fire soil-throwing machine containing a multi-stage rotor-thrower, a design is proposed in which the soil shaft is fully fed simultaneously to all blades of the multi-stage rotor-thrower. Determination of the kinematic parameters of the throwing process must be modeled taking into account physical and mechanical properties of soil. The purpose of this work is to increase the effectiveness of the prevention and extinguishing of forest fires with soil, by substantiating the parameters of a soil-throwing machine based on simulation of the working process of a rotor-thrower. As a result of the computational experiment, graphs are presented for determining the soil outlet angle and the ejection range with a zero blade inclination angle and for determining the soil outlet angle and ejection distance with a combined blade inclination angle. For given values of disk radii, the maximum soil fraction is ejected by the third disk, and the minimum by the first one. Therefore, the result of the computational experiment on the ratio predictably places the maximum amount of soil (more than 30%) at the distance of overlapping the trajectories of movement of soil particles ejected by the first and third disks, namely, in the range from 10.4-11.2 m. Thus, the software package can calculate not only the trajectory of soil movement depending on the design and technological parameters of the thrower rotor, by which it is possible to estimate the size of the ejection layer, but also the distribution of soil in the layer. The distribution obtained as a result of a computational experiment can be used to accumulate a database on the range of the largest part of the ejected soil and to refine the layer of maximum backfilling, taking into account physical and mechanical properties of soil

Keywords:
working body, soil thrower, fire-break maker, soil, simulation model
Text
Publication text (PDF): Read Download

Введение

Одна из наиболее актуальных проблем лесного хозяйства – проблема борьбы с лесными пожарами, которая в настоящее время вышла за рамки лесной отрасли и стала важной частью охраны природы и окружающей среды, социально-государственной задачей в обеспечении безопасности населенных пунктов и жизни человека. Самыми эффективными для профилактики и ликвидации низовых лесных пожаров являются грунтометательные машины [1;2]. Процесс метания грунта в количестве, достаточном для тушения лесной наземной кромки огня, представляет собой сложную систему взаимодействия рабочего органа со средой сыпучих элементов. Основная проблема, на наш взгляд, связана с недостаточным объемом почвогрунта, подаваемым существующими агрегатами.    

Для повышения качества подготовки почвенного вала перед фрезами-метателями при создании противопожарных минерализованных полос применяются вырезные дисковые рабочие органы с гидроприводом [3]. В ходе серии экспериментов было установлено, что изменение угла атаки дисков оказывает существенное влияние на качество подготовки почвы и потребляемую мощность принудительного вращения от гидромоторов.

Процесс создания новой и усовершенствования существующей лесной техники, в том числе лесопожарной, производится при помощи математического и имитационного моделирования. В работах [4-6]  представлены математические модели взаимодействия рабочих органов лесопожарной грунтометательной машины с почвогрунтом. При исследовании использовался метод многофакторного теоретического изучения процессов формирования почвенного потока, его движения в воздухе и воздействия на опушку лесного пожара с использованием созданной модели. Разработаны компьютерные программы, позволяющие исследовать влияние основных параметров рабочих органов на производительность, качество и энергоемкость лесопожарной грунтометательной машины.

Повышение эффективности рабочего процесса лесопожарной грунтометательной машины может быть достигнута за счет обоснования параметров энергосберегающего гидропривода ротора-метателя, который позволил уменьшить количество срабатываний предохранительных клапанов при встрече ротора-метателя с препятствиями в виде пней и крупных боковых корней [7].    

В работе [8] получены формульные соотношения для модели в рамках физики полёта материальной точки под углом к горизонту при минимальном влиянии внешней среды (пренебрежимо малой вязкости воздуха) Тем не менее, для моделирования метания грунта в «кромку огня» вязкость воздуха может иметь важное значение, поскольку при увеличении температуры от 20 до 1200 градусов Цельсия кинематическая вязкость воздуха возрастает с 15,06·10-6 м2/с до 233,7·10-6 м2/с (то есть в 15 раз). С помощью этих соотношений модели можно определять в результате вычислительного эксперимента величину средней дальности полёта грунта. Физико-механические свойства почвогрунта многие авторы учитывают с использованием метода частиц [9]. Для обоснования модели используется тот факт, что в основе всего разнообразия бессеточных методов лежит концептуальный подход метода частиц.

Однако проведённых исследований взаимодействия ротора-метателя с почвогрунтом и его метания на кромку огня недостаточно для обоснования кинематических и динамических параметров.

Целью данной работы является повышение эффективности профилактики и тушения лесных пожаров грунтом, путем обоснования параметров грунтометательной машины на основе имитационного моделирования рабочего процесса ротора-метателя.

Материалы и методы

В качестве прототипа для проведения имитационного моделирования предложили и использовали конструкцию лесопожарной грунтометательной машины (рисунок 1), в которой осуществляется полная подача почвенного вала одновременно ко всем лопаткам многоступенчатого ротора-метателя [10].

Приведённая конструкция содержит: механизм навески 1, раму 2, наклонные ножи 3, кожух-рыхлитель 4, лопатки 5, многоступенчатый ротор-метатель 6, гидромотор 7, скобы с лемехом 8, лотка-подъемник 9.

The above design contains: a suspension mechanism 1, a frame 2, inclined knives 3, a ripper casing 4, blades 5, a multistage rotor-thrower 6, a hydraulic motor 7, brackets with a ploughshare 8, a tray-lift 9.

При однородном почвогрунте средний диск будет выбрасывать большую часть почвогрунта (более 12, 53%) по траектории с максимальной дальностью. Тогда как углы метания первого диска ротора-метателя будут соответствовать баллистическим и их дальность не будет превышать 6 м. Неоднородность почвогрунта в модели будет характеризоваться комбинированным разбросом углов по дискам.

Поскольку основной частью исследуемого рабочего процесса является собственно процесс метания почвогрунта и выявление зависимости его кинематических параметров от таких технологических параметров ротора-метателя, как скорость вращения, то на этапе исходного приближения необходимо определить базовые предположения для процесса кинематики полета грунта. Для решения этой задачи можно использовать модель поступательного движения материальной точки в поле силы тяжести, выброшенной под углом α к горизонту с высоты hмет с начальной скоростью Vмет. В этой модели движение материальной точки можно моделировать в двухкоординатном приближении, тогда при условии малости сопротивления воздуха в направлении метания (X) можно с большой долей вероятности полагать о постоянстве скорости, а в перпендикулярном направлении движения (Y) наличии ускорения (ускорения свободного падения g). Тогда зависимость координат от времени будет определяться известными соотношениями: