РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА РОТОРА-МЕТАТЕЛЯ ЛЕСОПОЖАРНОЙ ГРУНТОМЕТАТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
При решении проблемы повышения эффективности лесопожарной грунтометательной машины содержащей многоступенчатый ротор-метатель предлагается конструкция, в которой осуществляется полная подача почвенного вала одновременно ко всем лопаткам многоступенчатого ротора-метателя. Определение кинематических параметров процесса метания необходимо моделировать с учётом физико-механических свойств почвогрунта. 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. В результате проведения вычислительного эксперимента представлены графики по определению угла вылета почвогрунта и дальности выбрасывания с нулевым углом наклона лопатки и по определению угла вылета почвогрунта и дальности выбрасывания с комбинированным углом наклона лопатки. При заданных значениях радиусов дисков максимальная доля грунта выбрасывается третьим диском, а минимальная первым. Поэтому результат вычислительного эксперимента по соотношению предсказуемо помещает максимальное количество почвогрунта (более 30%) на дальности перекрывания траекторий движения частиц почвогрунта, выбрасываемого первым и третьим дисками, а именно в интервале от 10,4-11,2 м. Таким образом, программный комплекс может рассчитывать не только траектории движения почвогрунта в зависимости от конструктивных и технологических параметров ротора метателя, по которым можно оценить величину слоя выбрасывания, но и распределения почвогрунта в слое. Полученное в результате вычислительного эксперимента распределение можно использовать для накопления базы данных по дальности наибольшей части выбрасываемого почвогрунта и уточнения слоя максимального засыпания с учётом физико-механических свойств почвогрунта.

Ключевые слова:
рабочий орган, грунтомет, полосопрокладыватель, почвогрунт, имитационная модель
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

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: