Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Россия
Статья посвящена лабораторным исследованиям грунтометательного агрегатов. На сегодняшний день остаются актуальными задачами по подготовки к пожароопасному сезону и проведения противопожарных мероприятий. Создание, подновление минерализованных полос один из методов проведения профилактических работ по сохранению лесного массива от развития крупных лесных пожаров. Выполняют расчистку лесной почвы от горящих элементов до открытого слоя почвы, а именно создания минерализованных полос в основном перед пожароопасным сезоном, в течении которого производят подновление полос и разрывов. Для проведения лабораторных исследований была разработана и изготовлена экспериментальная установка. По методике проведения исследования нами были определены факторы, которые изменяли в ходе эксперимента угол (α) и угол (β) для сферического диска с полукруглыми вырезами. В ходе проведения опытов для проверки нормальности распределения характеристик, отвечающих за энергетические показания работы агрегата выполнена серия, состоящая из 30 экспериментов при параметрах установки углов сферического диска с полукруглыми вырезами α=100, β=100. Проведена детализация гипотезы о нормальности распределения функции отклика по критерию х2 -Пирсона. По критерию Кохрена проведена проверка однородности дисперсий опытов. На основании полученных экспериментальных данных были построены зависимости мощности вращения сферического диска с полукруглыми вырезами от угла атаки и наклона, зависимости мощности от угла атаки
рабочий орган, сферический диск с полукруглыми вырезами, корпус диска, грунтомет, полосопрокладыватель
Введение
Распространение неконтролируемого огня по лесному массиву представляет собой важную экологическую проблему, проводя к большим экономическим и экологическим потерям и подвергая жизни людей и животных серьёзной опасности [1]. Лесной пожар является одной из основных проблем, нарушающих естественное возобновление древостоя лесу. Погода и климат являются наиболее важными факторами, влияющими на пожарную активность, и эти факторы изменяются в связи с антропогенным изменением климата [2]. Распространение лесных пожаров является сложным процессом, на который влияют различные факторы. Каждый год лесные пожары причиняют большой финансовый и экологический убыток. К одной из ключевых проблем локализации пожара обычными методами, использующими воду, относится рельеф массива и зачастую отсутствуют доступ к дорогам, чтобы приблизить противопожарную технику к очагу возгорания. В этаких условиях методом противопожарных мер является использование всего что есть в доступной близости в том числе и почвогрунта. Общество и специализированные службы часто прибегают к приложению минерализованных полос на пути движения огня и гашения кромки почвогрунтом. Предотвращение гибели лесного массива неконтролируемым огнем возможно за счёт плановой подготовки к пожароопасному сезону [3]. На сегодняшний день остаются актуальными задачами по подготовки к пожароопасному сезону и проведения противопожарных мероприятий [4, 5]. Во время борьбы с огнём планирование операции по ликвидации огня в лесном массиве при ограниченных ресурсах (т. е. транспортных средствах с пожарными машинами) является сложной задачей [6] Противопожарные минерализованные полосы прокладывают различными плугами: ПКЛ-70; ПЛ-1; ПЛШ-1,2; ПЛП-135; ПДП-1,2; ПДМ-1,7; канавокопателями; дисковыми боронами БДНТ-2,2; БДСТ-2,5 и другими. Подновляют обычно культиватором КЛБ-1,7. Эти же орудия применяют с целью опашки участков, занятых огнём [7, 8, 9]. Создание минерализованных полос активно применяется и при ликвидации движущегося по лесному массиву огня, используя для этого не только перечисленные выше орудия, но и бульдозеры, корчеватели-собиратели.
Наибольшей эффективностью обладают специальные фрезерные полосопрокладыватели ПФ-1 и грунтометы ГТ-3, но они имеют громоздкий механический привод обладает низкой надёжностью при встрече рабочих органов с препятствиями, напрямую влияя на эффективность проводимых мер [10, 11, 12]. Коллективом учёных ВГЛТУ разработана лесопожарная комбинированная грунтометательная машина [13]. Проведены лабораторные и полевые испытания агрегата, написан ряд работ с основными результатами проведённых исследований [14]. Совершенствование процесса создания минерализованных полос и процесса тушения кромки лесного пожара с помощью грунта ведутся разными трудовыми коллективами. Нами разработан новый лесопожарный полосопрокладыватель с вырезными дисками с гидроприводом, для предварительной подготовки почвенного вала перед фрезами метателями [15] (рисунок 1).
1-рама; 2-механизм навески; 3-шнек; 4-привод гидромотора шнека; 5-сферический диск со съёмной режущей кромкой; 6-полукруглые вырезы сферического диска; 7-гидромоторы привода сферических дисков; 8 и 9 – фрезы-метатели; 10-11-гидромоторы фрез-метателей; 12-выносной гидроцилиндр; 13-вертикальная ось гидроцилиндров; 14-щитки-направители; 15-стойка рыхлителя; 16-рыхлитель; 17-пружины растяжения; 18-опорные катки.
Рисунок 1 – Схема грунтомета-полосопрокладывателя [15]
Материалы и методы
Для проведения лабораторных исследований рабочих процессов вырезных сферических дисков с гидроприводом изготовлен образец содержащий узел грунтомета (рисунок 2). Установка содержит передвижную тележку 1, навеску передвижной тележки 2, тензометрическую навеску 3, раму лабораторную установку 4, опорное колесо 5, гидромотор 6, стойка 7 вырезного дискового рабочего органа 8, почвенный канал 9. На раме установлен узел позволяющий менять положение стойки для фиксации дискового рабочего органа, изменение установки стоки позволяет изменять и фиксировать угол атаки диска, на стойке зафиксирован гидромотор 6, приводящий в движение дисковый рабочий орган с полукруглыми вырезами через цепную передачу 8.
Рисунок 2 – Лабораторная экспериментальная установка с гидроприводом вырезного дискового рабочего органа (собственные разработки)
Для записи давления рабочей жидкости использовались датчики давления ПД-100, а для записи тягового усилия S-образный датчик силы растяжения и сжатия с диапазоном измерения до 4.9 кН.
По методике проведения исследования нами были определены факторы, которые изменяли в ходе эксперимента угол (α) и угол (β) для сферического диска с полукруглыми вырезами полученные результаты показаны в таблице 1. Функция отклика (у) – мощность вращения диска (Nв).
В ходе проведения опытов для проверки нормальности распределения характеристик, отвечающих за энергетические показания работы агрегата выполнена серия, состоящая из 30 экспериментов при параметрах установки углов сферического диска с полукруглыми вырезами α=100, β=100. Полученные результаты занесены в таблицу 2.
Систематизации полученных данных проведённых экспериментов проведена в программе Microsoft Excel (таблица 3), расчётные значения Asрасч = -0,344, Exрасч = -0,0129. Табличные критические значения по абсолютной величине больше расчетных Asкрит > Asрасч и Exкрит > Exрасч (0,865 > 0,0129; 0,661 > 0,344), что свидетельствует в пользу гипотезы о нормальном распределении выходной величины.
Таблица 1
Определение уровней и интервалов варьирования факторов
|
Фактор |
Уровни факторов, град |
Интервал варьирования |
||||
|
Наименование |
Обозначение |
|
|
|||
|
|
Натуральное |
Нормализованное |
Верхний |
Основной |
Нижний |
|
|
Угол атаки Угол наклона |
α β |
х1 х2 |
30 10 |
20 0 |
10 -10 |
10 10 |
(собственные разработки)
Таблица 2
Результаты серии опытов
|
№оп |
Nв, Вт |
№оп |
Nв, Вт |
№оп |
Nв, Вт |
|
1 |
1078 |
11 |
1067 |
21 |
1106 |
|
2 |
1121 |
12 |
1134 |
22 |
1126 |
|
3 |
1098 |
13 |
1113 |
23 |
1109 |
|
4 |
1107 |
14 |
1100 |
24 |
1093 |
|
5 |
1077 |
15 |
1090 |
25 |
1072 |
|
6 |
1089 |
16 |
1080 |
26 |
1101 |
|
7 |
1128 |
17 |
1109 |
27 |
1101 |
|
8 |
1104 |
18 |
1087 |
28 |
1119 |
|
9 |
1054 |
19 |
1101 |
29 |
1119 |
|
10 |
1106 |
20 |
1098 |
30 |
1089 |
(собственные разработки)
Для уточнения гипотезы о нормальности распределения функции отклика проведём проверку по критерию х2 -Пирсона. Для этого разбиваем выборку на 6 интервалов (табл. 4).
Обозначим необходимое количество дублированных опытов (n) по выражению:
где S2, , t – соответственно дисперсия, доверительный интервал и критерий Стьюдента.
Матрица планирования основного эксперимента по определению мощности вращения диска и результаты опытов представлены в таблице 5.
где ,
– соответственно среднее значение отклика и дисперсия.
Таблица 3
Результаты расчёта в Microsoft Excel
|
Среднее |
1099,2 |
|
Стандартная ошибка |
3,424187 |
|
Медиана |
1101 |
|
Стандартное отклонение |
18,75505 |
|
Дисперсия выборки |
351,7517 |
|
Эксцесс |
-0,01293 |
|
Асимметричность |
-0,34415 |
|
Минимум |
1054 |
|
Максимум |
1134 |
|
Уровень надёжности (95,0%) |
7,003249 |
(собственные разработки)
Следует:
Таблица 4
Расчёт критерия Пирсона
|
Интервал |
Левый конец интервала |
Правый конец интервала |
Середина интервала |
Частота (pi) |
pi(yi - yср)2 |
Частоты теоретические (piтеор) |
(pi-piтеор)2/piтеор |
|
1 |
1054 |
1067,4 |
1060,7 |
2 |
2748,8 |
1,11 |
0,719 |
|
2 |
1067,4 |
1080,8 |
1074,1 |
4 |
2241,7 |
3,78 |
0,012 |
|
3 |
1080,8 |
1094,2 |
1087,5 |
5 |
527,7 |
7,51 |
0,841 |
|
4 |
1094,2 |
1107,6 |
1100,9 |
10 |
97,7 |
8,68 |
0,201 |
|
5 |
1107,6 |
1121 |
1114,3 |
6 |
1638,7 |
5,83 |
0,005 |
|
6 |
1121 |
1134,4 |
1127,7 |
3 |
2686,8 |
2,28 |
0,227 |
(собственные разработки)
Таблица 5
Матрица планирования эксперимента
|
№оп |
х1 |
х2 |
х1х2 |
у1, Вт |
у2, Вт |
у3, Вт |
у4, Вт |
у5, Вт |
||
|
1 |
-1 |
-1 |
1 |
912 |
954 |
958 |
941 |
986 |
950,2 |
725,2 |
|
2 |
1 |
-1 |
-1 |
2165 |
2246 |
2163 |
2194 |
2217 |
2197 |
1247,5 |
|
3 |
-1 |
1 |
-1 |
1061 |
1143 |
1125 |
1096 |
1054 |
1095,8 |
1509,7 |
|
4 |
1 |
1 |
1 |
2461 |
2383 |
2375 |
2438 |
2429 |
2417,2 |
1360,2 |
(собственные разработки)
Регрессионную модель тягового усилия будем искать в виде многочлена:
Расчётные коэффициенты регрессионной модели представлены в таблице 6.
Таблица 6
Коэффициенты регрессии математической модели
|
bo |
b1 |
b2 |
b12 |
|
1665,05 |
642,05 |
-91,45 |
18,65 |
*собственные вычисления авторов
Для начала находим дисперсии коэффициентов регрессии:
.
Тогда:
.
Оценку значимости коэффициентов регрессии проводим, рассчитывая неравенство:
.
Из таблиц t-распределения Стьюдента выбираем значение tтабл при уровне значимости q=0,01 и числе степеней свободы fу = 4.
Тогда:
.
Следовательно:
.
Вышеописанная зависимость не исполняется для коэффициента b12 (18,65 < 22,72), следовательно данный парамерт не будет учитывать, а значение b12x1x2 убираем из выражения.
. (1)
Адекватность полученной модели проверим по F-критерию Фишера (Fтабл), если Fрасч < Fтабл , то модель считается адекватной. В нашем случае расчётное значение Fрасч = 5,75, а Fтабл = 8,53, условие Fрасч < Fтабл (5,75 < 8,53) выполняется, следовательно, модель адекватна и может быть использована для описания объекта исследования.
Применим формулу:
,
где , xi – соответственно натуральное и нормализованное значение фактора; Ii – интервал варьирования;
– натуральное значение основного уровня.
Найдём:
(2)
(3)
Добавив выражения (2) и (3) в формулу (1), и произведя математическое преобразование, получим выражение регрессии в натуральном виде:
(4)
Результаты и обсуждение
Произведя анализ (рисунок 1, 2, 3) полученных данных описанной модели (4), можно сделать вывод, что затрачиваемая мощность на вращение сферического диска с полукруглыми вырезами изменяется с изменением угла атаки,
|
|
||
|
Рисунок 2 – График зависимости мощность вращения диска от угла атаки и угла наклона (собственные разработки) например, при установленном значении α = 300, затрачиваемая мощность N = 2200 Вт. При изменении угла наклона относительно вертикали при β=100, затрачивая мощность N = 500 Вт. |
||
|
|
||
|
Рисунок 3 – Графики зависимости мощности от угла атаки (собственные разработки) |
|
|
|
|
Рисунок 4 – График зависимости мощности от угла наклона (собственные разработки) |
Выводы
Вследствие полученных данных проведённой серии экспериментов можно сделать вывод о том, что существенное воздействие на потребляемую мощность принудительного вращения сферического диска с полукруглыми вырезами оказывает изменение угла атаки, а при изменении угла наклона относительно вертикальной оси обладают минимальным влиянием на значения. С увеличением угла атаки потребляемая мощность на вращение сферического диска с полукруглыми вырезами растет. Агрегатирование грунтомета-полосопрокладывателя с вырезными сферическими дисками с приводом от гидромоторов повышает качество подготовки почвенного вала перед роторами-метателями и проходимость агрегата, что обеспечивает эффективно выполнять поставленные задачи по ликвидации и предупредительным операциям в большом диапазоне лесных почв
1. Mapping the Causes of Forest Fires in Portugal by Clustering Analysis / A. C. Meira Castro, A. Nunes, A. Sousa, L. Lourenço // Geosciences. - 2020 - vol. 10(2). - p. 53 - Available at: http://dx.doi.org/10.3390/geosciences10020053.
2. Forest fires and climate change in the 21 st century / M. D. Flannigan, B. D. Amiro, K. A. Logan et. all. // Mitigation and adaptation strategies for global change. - 2006 - vol. 11. - no. 4. pp. 847-859. - Available at: https://doi.org/10.1007/s11027-005-9020-7.
3. Бартенев, И. М. К вопросу о тушении лесных пожаров грунтом / И. М. Бартенев, Д. Ю. Дручинин, М. А. Гнусов // Лесотехнический журнал. - 2012. - №. 4 (8). - С. 97-101.
4. Особенности противопожарного обустройства лесов в Российской Федерации / Д. Ю. Дручинин, М. А. Гнусов, С. В. Малюков, И. В. Четверикова // Resources and Technology. - 2020. - Т. 17. - №2. - С. 80-96. - DOI:https://doi.org/10.15393/j2.art.2020.5302
5. MA, Yu-chun Discussion on safety precaution and emergency avoidance of forest fire fighting / MA Yu-chun, Zhao Yan-fei // Fire Science and Technology. - 2021. - vol. 40(1). - pp. 5-7.
6. Wu, P. Bi-Objective Scheduling of Fire Engines for Fighting Forest Fires: New Optimization Approaches. / P. Wu, et al. // IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. - 2018. - vol. 19(4). - pp.1140-1151. - Available at: http://dx.doi.org/10.1109/tits.2017.2717188.
7. Drapalyuk, M. Forest fires: methods and means for their suppression / M. Drapalyuk, D. Stupnikov, D. Druchinin, E. Pozdnyakov // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2019. - vol. 226. - 012061. - DOI: 10.1088 / 1755-1315 / 226/1/012061.
8. Bartenev, I. M. Research and development of the method of soil for-mation and delivery in the form of a concentrated flow to the edge of moving ground forest fire / 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
9. Ступников, Д. С. Обоснование параметров рабочих органов лесопожарной грунтометательной машины: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.21.01 / Ступников Дмитрий Сергеевич. - Воронеж, 2018. - 16 с.
10. Wei, M. The usage state and the prospect of forest fire extinguish equipments / M. Wei, K. Wang // Forestry Machinery and Woodworking Equipment. - 2006. - vol. 7. -no. 34. - pp. 11-14.
11. Latypov, R. The dependence of the quality of soil treatment on the parameters and operating modes of the working bodies of the cutter / R. Latypov, M. Kalimullin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2020. - vol. 1001. - №. 1. - 012127.
12. Hann, W. J. Fire regime condition class and associated data for fire and fuels planning: methods and applications / W. J. Hann, D. J. Strohm // Fire, fuel treatments and ecological restoration: conference proceedings. Proceedings RMRS-P-29. Fort Collins (CO): USDA-Forest Service. - 2003. - pp. 397-433.
13. Патент № 128887 Российская Федерация, МПК E02F A62C. Лесопожарная комбинированная грунтометательная машина : № 2013100599/03 : заявл. 09.01.2013 ; опубл. 10.06.2013 / М.В. Драпалюк, И.М. Бартенев, П.Э. Гончаров, Л.Д. Бухтояров, П.И. Попиков, М.А. Гнусов, Д.Ю. Дручинин, О.Б. Марков ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова».
14. Комбинированный лесопожарный грунтомет и рекомендации по его применению / И.М. Бартенев, М.В. Драпалюк, П.Э. Гончаров, [и др.] // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2012. - №84. - С. 174-184.
15. Патент № 2684940 Российская Федерация, МПК Е02F E02F A62C. Пожарный грунтомет-полосопрокладыватель : № 2018125062 : заявл. 09.07.2018; опубл. 16.04.2019 / И.М. Бартенев, П.И. Попиков, С.В. Малюков, С.В. Зимарин, Н.А. Шерстюков ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова».
