МНОГОФАКТОРНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ФРЕЗЕРНОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА ЛЕСОПОЖАРНОЙ ГРУНТОМЕТАТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Среди большого количества конструктивных параметров фрезерного рабочего органа лесопожарной грунтометательной машины наиболее существенное влияние на эффективность технологического процесса оказывают параметры длины lл и ширины hл лопаток. В данной работе была проведена многофакторная оптимизация этих параметров. В качестве критериев эффективности были выбраны: средняя дальность выброса грунта, затрачиваемая мощность и производительность. Задача оптимизации заключалась в поиске таких значений параметров lл и hл, при которых средняя дальность выброса грунта Lср и производительность машины Р были бы как можно больше, а затрачиваемая лесопожарной грунтометательной машиной мощность N – наименьшей. Для решения поставленной задачи была проведена серия из 16 компьютерных экспериментов разработанной конструкции. В данной серии параметр длины лопатки lл изменяли на уровнях 170, 200, 230, 260 мм, а параметр ширины лопатки hл – на уровнях 160, 180, 200, 220 мм. Аппроксимация полученных результатов экспериментальных исследований проводилась при помощи математической программы MathCAD 15 методом наименьших квадратов. Для проведения стaтиcтичecкoй oцeнки знaчимocти кэффициентов полиномов использовали F-критeрий (критерий Фишера). Пoлучeнныe аналитические закономерности для удобства восприятия и анализа были отображены в виде графических изображений при помощи поверхностей отклика и линий уровней. Также были получены поверхность отклика и линии уровней на которых отображена общая оптимальная область всех трех критериев эффективности. Проанализировав полученные зависимости можем рекомендовать в качестве оптимальных значений длины и ширины лопатки lл = 200…230 мм, hл = 180…250 мм.

Ключевые слова:
лесопожарная грунтометательная машина, оптимизация, аппроксимация, производительность, затрачиваемая мощность
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Введение

Леса являются важной частью экосистемы и играют значимую роль в сохранении и поддержании окружающей среды. Главная опасность - лесные пожары, поскольку их последствия наносят серьезный урон природе. Рост количества пожаров связан с глобальными климатическими изменениями на нашей планете. Поэтому необходимо своевременно обнаружить и погасить огонь, прежде чем он распространится [1, 3, 4].  Распространение лесных пожаров - сложный процесс, на который влияют множество факторов. Понимание отношений между этими факторами и тенденцией распространения лесных пожаров имеет жизненно важное значение для прогнозирования быстрого распространения огня.

Материал и методы исследования

Среди большого количества конструктивных и кинематических параметров лесопожарной грунтометательной машины наиболее существенное влияние на эффективность осуществления технологического процесса оказывают параметры лопаток фрезы-метателя, такие как длина лопасти lл и ширина лопасти hл. Для того чтобы определить оптимальные показатели параметров lл и hл требуется провести их оптимизацию. Обычно, основными критериями оптимизации являются такие параметры как: производительность разработанной конструкции, качество осуществления технологического процесса, а также экономическая эффективность [2, 5, 6].

Для лесопожарной грунтометательной машины такими критериями являются:

Lср – средняя дальность выброса грунта, м;

   P – производительность машины, м3/с;

N – мощность, затрачиваемая гидросистемой агрегата на осуществление эффективного рабочего процесса, кВт.

   Задача оптимизации заключается в поиске таких значений параметров lл и hл, при которых затрачиваемая лесопожарной грунтометательной машиной мощность N была наименьшей, а средняя дальность выброса грунта Lср и производительность машины Р были бы как можно больше. Задача оптимизации, в нашем случае, может быть записана с помощью, следующей системы уравнений:

                      (1)

Рeзультaты иccлeдoвaния и их oбсуждeниe

Для того чтобы решить поставленную задачу оптимизации и выявить взаимосвязи между необходимыми критериями и параметрами была проведена серия из 16 компьютерных экспериментов разработанной конструкции (табл.1) [7, 11, 12, 13, 14].

В данной серии параметр длины лопатки lл изменяли на уровнях 170, 200, 230, 260 мм, а параметр ширины лопатки hл – на уровнях 160, 180, 200, 220 мм.

Аппроксимация полученных результатов экспериментальных исследований проводилась при помощи математической программы MathCAD 15 методом наименьших квадратов. После проведения аппроксимации были получены следующие аналитические выражения:

Lср (lл, hл) = 0,413lл + 0,173hл + 1,2∙ 10–4lлhл – 9,375∙ 10–4lл2 – 3,889∙ 10–4hл2 – 50,032;                               (2)                                                                                

P (lл, hл) = –3,715 ∙ 10–3lл + 3,382∙ 10–4hл + 4,767 ∙ 10–6lлhл + 8,75∙ 10–6lл2 – 2,222∙10–6hл2+0,418;              (3)                                                                           

N (lл, hл) =0,101lл + 0,072hл – 7∙ 10–5lлhл + 3,437∙ 10–4lл2 – 9,722∙ 10–5hл2 +33,402.                                   (4)                                                                         

где lл и hл – длина и ширина лопатки фрезы-метателя, измеряются в миллиметрах (мм);

Lср – средняя дальность выброса грунта, м;

P– производительность машины, м3/с;

N – затрачиваемая мощность, кВт.

Для проведения статистической оценки значимости коэффициентов полиномов использовали F- критерий (критерий Фишера). Полученные аналитические закономерности Lср (lл, hл), Р (lл, hл), N (lл, hл) для удобства восприятия были отображены в виде графических изображений при помощи поверхностей отклика (рис. 1).

Полученные поверхности отклика, при дальнейшем количественном анализе, были представлены в виде линий уровня (рис. 2). На каждой из полученных линий уровня и поверхности отклика факторное пространство (lл, hл) разбито на области: благоприятную (область красного цвета), в которой необходимый параметр оптимизации показывает максимальное или минимальное значение, и не благоприятную (область фиолетового цвета), в которой нужный нам критерий оптимизации принимает обратное, негативное значение.

 

Таблица 1

Результаты теоретических экспериментов влияния конструктивных параметров фрезерного рабочего органа ЛГМ на показатели ее эффективности

hлмм

lл мм

N, кВт

L, м

P, м3

1

160

170

33,2

14,2

0,057

2

160

200

34,5

14,9

0,063

3

160

230

35

15,6

0,066

4

160

260

35,8

16,1

0,067

5

180

170

34,2

15,2

0,058

6

180

200

34,7

17,1

0,064

7

180

230

34,9

17,8

0,068

8

180

260

35

18,4

0,068

9

200

170

34,5

17,7

0,06

10

200

200

34,8

19,7

0,068

11

200

230

35

20,1

0,071

12

200

260

35,4

20,5

0,071

13

220

170

34,4

18

0,06

14

220

200

35,3

19,8

0,069

15

220

230

36,1

21,3

0,072

16

220

260

36,4

20,6

0,072

 

 

Описание: C:\Users\Пользователь\Desktop\выставка по грунтомету\о25.jpg

а)

Описание: C:\Users\Пользователь\Desktop\выставка по грунтомету\о26.jpg

б)

Поверхность отклика Р

в)

а – для средней дальности выброса грунта Lср, м; б – для потребляемой мощности N, кВт; в – для производительности Р, м3/с; где ось ОХ – длина лопатки lл, мм, ОY – ширина лопатки hл, мм, ОZ – один из показателей эффективности.

Рис. 1. Частные поверхности отклика при оптимизации конструктивных параметров lл и hл

 

 

Для того чтобы установить граничные значения необходимых параметров, которые будут делить неблагоприятные и благоприятные oблaсти, мы использовали общепринятое правило: благоприятная область должна занимать от 10 до 30% факторного пространства, при этом не включать в себя области резких перепадов функции, а также должна иметь привязку к нормативным значениям каждого критерия [8, 9, 10].

В кaчестве границы между неблагоприятной и благоприятной областями для функции Lср (lл, hл) была принята изолиния 20 м; для N (lл, hл)– изолиния 35 кВт; для P (lл, hл) – изолиния 0,07 м3/с.

В результате полученные оптимизационные карты позволяют инженеру выбрать такие значения параметров длины и ширины лопаток фрезы грунтомета, при которых показатели эффективности находились бы в наиболее оптимальном диапазоне.

В дальнейшем, благоприятные области трех критериев эффективности были наложены друг на друга (рис. 2, а, б, в). В результате получили поверхность отклика и линии уровней, которые являются общими для всех трех параметров. На них отображена общая оптимальная область всех трех критериев эффективности (рис. 3 а, б).

 

Описание: C:\Users\Пользователь\Desktop\выставка по грунтомету\о22.jpg

а)

Описание: C:\Users\Пользователь\Desktop\выставка по грунтомету\о23.jpg

б)

 

Линии уровней Р

в)

 

а – для Lср (lл, hл); б – для N (lл, hл); в – для P (lл, hл); где ось ОХ – длина лопатки lл, мм, ОY – ширина лопатки hл, мм.

Рис. 2. Оптимальные области факторного пространства

 

 

Общая поверхность отклика

а)

б)

 

а – поверхность отклика; б – линии уровней

Рис. 3 – Общая оптимaльная область факторного пространств параметров lл и hл; где ось ОХ – длина лопатки lл, мм, ОY – ширина лопатки hл, мм.

         

 

 

 

Выводы

Анализ полученного рисунка 3 показывает, что наиболее оптимальное сочетание конструктивных параметров длины и ширины лопатки имеет общую оптимальную зону всех трех параметров эффективности.

Проанализировав полученные зависимости можем рекомендовать в качестве оптимальных значений длины и ширины лопатки lл = 200-230 мм, hл = 180-250 мм.

При этом лесопожарная грунтометательная машина выбрасывает грунт в зону пожара на расстояние до 21 м, потребляет не более 38 кВт мощности, а производительность составляет, в среднем, 0,07 м3/с.

Благодарность

Исследование выполнено при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации  в рамках научного проекта № МК-6621.2018.8.

 

 

Список литературы

1. Гнусов, М.А. Обоснование параметров комбинированных рабочих органов грунтомета для прокладки минерализованных полос в лесу [Текст]: дис…канд.тех.наук / М.А. Гнутов. - Воронеж, 2014. - 140 с.

2. Федорченко, И.С. Результаты экспериментальных исследований грунтомета лесопожарного [Текст] / И.С. Федорченко // Вестник красноярского государственного аграрного университета. - Красноярск, 2012. - №9. - С. 162-166.

3. Бартенев, И.М. Комбинированный лесопожарный грунтомет и рекомендации по его применению [Электронный ресурс] / И.М. Бартенев, М.В. Драпалюк, П.Э. Гончаров, М.А. Гнусов, А.А. Тамби, В.Е. Клубничкин // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2012. - № 84. - С. 174-184.

4. Гончаров, П.Э. Перспективные конструкции противопожарных грунтометов [Текст] / П.Э. Гончаров, П.И. Попиков, М.А. Гнусов, Н.А. Шерстюков // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - Т. 2. - № 2-2 (7-2). - С. 54-59.

5. Кривцов, А.М. Деформирование и разрушение тел с микроструктурой [Текст] / А.М. Кривцов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 304 с.

6. Гончаров, П.Э. Лесопатрульный автомобиль на базе тяжелого грузового автомобиля повышенной проходимости [Текст] / П.Э. Гончаров, П.И. Попиков, М.А. Гнусов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - Т. 2. - № 2-2 (7-2). - С. 64-69.

7. Драпалюк, М.В. Обоснование параметров лесного грунтомета с комбинированными рабочими органами [Текст] / М.В. Драпалюк, П.И. Попиков, П.Э. Гончаров, М.А. Гнусов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - Т. 2. - № 2-2 (7-2). - С. 77-81.

8. Бухтояров, Л.Д. Оптимизация параметров комбинированной машины для тушения лесных пожаров на основе теоретических и экспериментальных исследований [Текст] / Л.Д. Бухтояров, М.А. Гнусов, М.В. Шавков, Д.В. Лепилин, Д.В. Есков, А.В. Подъяблонский // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2012. - № 84. - С. 373-382.

9. Есков, Д.В. Оптимизация параметров и математическая модель процесса выброса грунта комбинированным фрезерным пожарным грунтометом [Текст] /Д.В. Есков // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - Т. 2. - № 4-2 (9-2). - С. 208-212.

10. Bartenev, I.M. Study of efficiency of soil-thrower and fire-break majer on the basis of mathematic simulation [Text] / I.M. Bartenev, S.V. Malyukov, M.A. Gnusov, D.S. Stupnikov // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. - 2018. - Vol. 9. - Issue 4. - pp. 1008-1018.

11. Li, J. Three-Dimensional Dynamic Simulation System for Forest Surface Fire Spreading Prediction [Text] / J. Li, X. Li, C. Chen, H. Zheng, N. Liu // International Journal of Pattern Recognition and Artificial Intelligence. - 2018. - Vol. 32. - Issue 8. - DOI:https://doi.org/10.1142/S021800141850026X.

12. Bartenev I.M. Modern designs of forest fires machines for soil extinguishment of fire [Text] / I.M. Bartenev, S.V. Malyukov, M.A. Gnusov, D.S. Stupnikov, A.D. Platonov // Engineering and earth sciences: applied and fundamental research (isees 2018). - Grozni, 2018. - pp 48-53.

13. Bartenev, I. M. Research and development of the method of soil formation and delivery in the form of a concentrated flow to the edge of moving ground forest fire [Text] / I.M. Bartenev, P. I. Popikov, S.V. Malyukov // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science International Jubilee Scientific and Practical Conference "Innovative Directions of Development of the Forestry Complex (FORESTRY-2018)". - 2019. - no. 226 (1) 012052. DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/226/1/012052

14. Mikulas, M. Forest fires extinguishing using suitable fire-fighting equipment [Text] / M. Mikulas // Advanced Materials Research. - 2014. - Vol. 1001. - pp. 318-323. - DOI:https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1001.318


Войти или Создать
* Забыли пароль?