Обоснование параметров рабочих органов лесопожарной грунтометательной машины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.01, кандидат наук Ступников Дмитрий Сергеевич

• Ступников Дмитрий Сергеевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Ступников Дмитрий Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Характеристика причин и условий возникновения лесных пожаров

1.2 Технология создания противопожарных минерализованных

полос в условиях лесного массива

1.3 Анализ рабочих процессов технических средств для профилактики и тушения лесных пожаров

1.4 Выводы. Цель и задачи исследований

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБОСНОВАНИЮ КОНСТРУКЦИИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЛЕСОПОЖАРНОЙ ГРУНТОМЕТАТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

2.1 Обоснование компоновки орудия для создания минерализованных полос и непосредственного тушения кромки лесных низовых пожаров

2.2 Моделирование технологического процесса лесопожарной грунтометательной машины для создания минерализованных полос и тушения лесного низового пожара грунтом

2.3 Программная реализация модели

2.4 Влияние параметров лесопожарной грунтометательной машины на эффективность ее работы

2.4.1 Показатели эффективности лесопожарной грунтометательной машины от ее технологических параметров

2.4.2 Показатели эффективности лесопожарной грунтометательной машины от ее конструктивных параметров

2.5 Многофакторная оптимизация параметров лесопожарной грунтометательной машины

2.5.1Особенности решения задачи оптимизации

2.6 Основные результаты и выводы

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Описание конструкции и технологического процесса

3.2 Методика проведения экспериментальных исследований

3.3 Выводы

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЕСОПОЖАРНОЙ ГРУНТОМЕТАТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

4.1 Показатели эффективности рабочего процесса лесопожарной грунтометательной машины от её технологических параметров

4.2 Показатели эффективности рабочего процесса лесопожарной грунтометательной машины от типов почв

4.3 Планирование многофакторного эксперимента по проведению профилактических и противопожарных мероприятий

4.4 Экспериментальная оптимизация параметров рабочих органов лесопожарной грунтометательной машины

4.5 Основные результаты и выводы

5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА ЛЕСОПОЖАРНОЙ ГРУНТОМЕТАТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

5.1 Оценка работоспособности экспериментального образца

лесопожарной грунтометательной машины

5.2 Технико-экономическая эффективность лесопожарной грунтометательной машины

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров рабочих органов лесопожарной грунтометательной машины»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования.На сегодняшний день одной из самых первостепенных и остро стоящих проблем лесного хозяйства являетсяэффек-тивное проведение профилактических и лесопожарных работ.

На данный момент для такого вида работзачастуюприменяются лесные плуги такие как: ПКЛ-70, ПЛ-1, ПКЛН-500А, ПЛО-400. Также используется более узконаправленная техника в видепокровосдирателей серии ПДН-1, лесных фрез и фрезерныхполосопрокладывателей по типу ПФ-1 и АЛФ-10, а такжегрунтометательныемашинытакие как ГТ-3 и др.Однакоиспользуемые для осуществления профилактической и лесопожарной деятельности лесные плуги и канавокопатели формируютнедостаточно широкую минерализованную полосу (1...2,5 м), которая далеко не всегда эффективна в условиях быстрой динамики лесных низовых пожаров. Фрезерные полосопрокладыватели и грунтометательные машины энергоемки и малоэффективны, поскольку орудия агрегатируются на тракторах с ходоуменьшителем, а фрезам приходится работать в условиях задернелых верхних слоёв почвы, что существенно снижает качество и производительность технологического процесса.

Анализ существующих серийных технических средств, для проведения такого рода работ показывает, что онив недостаточной степени отвечают требованиям по осуществлению технологического процесса создания защитной минерализованной полосы, локализации и ликвидации лесных низовых пожаров.

Это послужило толчком к созданию новых технических средств, которые сочетали бы в себе лучшие качества плугов и фрезерных орудий, расширяли спектр возможного применения, но в то же время были лишены их недостатков. Так появились орудия с комбинированными рабочими органами, такие как грунтомет-полосопрокладыватель, разработанный на базе ФГБОУ ВО ВГЛТУ имени Г.Ф. Морозова. Однако данные разработки тоже не полностью решают проблемы эффективности и качества проведения профилакти-

4

ческих и лесопожарных работ, так как фрезерные рабочие органы хоть и работают по разрыхленному почвогрунтовому валу, но все так же не защищены от корней и пней, имеют большую массу и габариты за счет сочетания двух видов рабочих органов в единой конструкции.

Как показывает полученный опыт, для проведения качественных профилактических и лесопожарных работ целесообразно использовать технические средства, сочетающие в своей конструкции активные и пассивные рабочие органы. Это позволит объединить процесс предварительной обработки почвы и дальнейший выброс разрыхленного почвогрунтав заданном направлении, а также в значительной мере повысить эффективность технологического процесса создания минерализованных полос.

Известные на данный момент теоретические и экспериментальные исследования технологического процессалесопожарных и почвообрабатывающих машин и орудий, используемых в лесном хозяйстве для проведения профилактических и лесопожарных работ, недостаточно полно раскрывают процесс одновременного взаимодействия с почвой активных и пассивных рабочих органов. Всеэтов значительной мере затрудняет процесс создания новой техники на теоретическом и практическом уровнях. Поэтому необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследованийновых конст-рукцийлесопожарных орудий, позволяющих усовершенствовать процесс создания минерализованных полос и тушения лесных низовых пожаров.

Таким образом, тема диссертационной работы«Обоснование параметров рабочих органов лесопожарнойгрунтометательной машины»для осуществления профилактических и лесопожарных работ в лесном хозяйстве является актуальной и востребованной.

Разработка и исследования конструкции лесопожарной грунтомета-

тельной машины выполнены в рамках госбюджетной тематики «Разработка и

обоснование параметров рабочих органов грунтометательной машины для

тушения низовых пожаров», шифр: 116092210006, сроки выполнения с 2016

по 2020 гг. и гранта фонда содействия инновациям «Участник научно-

инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.) по договору № 6222 ГУ/2015 от

5

26.06.2015 г..

Степень разработанности темы исследования.Тема лесных пожаров практически во все времена являлась актуальной не только в лесном, но и сельском хозяйстве. Поэтому за этот длительный период времени изучением технологических процессовпочвообрабатывающих машин, применяемых для профилактических и лесопожарных работ, занимались многие ученые такие как:И.М. Бартенев, А.Н. Чукичев,И.М. Зима,Л.Т. Свиридов В.В. Василенко, В.И. Казаков, М.В. Драпалюк, П.И Попиков, П.Э. Гончаров,И.С. Федор-ченко, Е.И. Максимов, М.Н. Лысыч и др. [7, 18, 32, 48, 50, 63, 81, 89, 103, 110].

Проведенный анализ этих работ показывает, что самаявысокая эффективность достигается при применении метода создания минерализованных полос с помощью машин совмещающих в себе пассивные, разрыхляющие почвогрнут, и активные, фрезерующие полученный почвогрунтовый вал, рабочие органы. Но полученных при анализе работ прошлых годов,данных не достаточно для дальнейшего совершенствования технологического процесса и создания более эффективных орудий.

Разработка и создание лесопожарнойгрунтометательной машины требует серьезныхтеоретических и экспериментальных исследований, направленных на изучениесовместной работыкожуха-рыхлителя (пассивный рабочий орган) и фрезы-метателя (активный рабочий орган), с почвой при осуществлении технологического процесса формирования минерализованных полос, а также метания грунта в сторону кромки лесного низового пожара.

Цель и задачи исследования.Разработать конструкцию и параметры активного и пассивного рабочих органов и режимов работы лесопожарной грунтометательной машины для повышения эффективности проведения профилактических и лесопожарных работ.

Согласно поставленной цели были определены следующие задачи:

1) разработать новуюконструкциюлесопожарнойгрунтометательной машины для проведения профилактических и лесопожарных работ;

2) разработать математическую модель технологического процесса ле-

6

сопожарной грунтометательной машины;

3) обосновать конструктивные и технологические параметры активного и пассивного рабочих органов лесопожарнойгрунтометательной машины;

4) провести экспериментальные исследования опытного образца лесо-пожарной грунтометательной машины и выполнить анализ экономической эффективности при внедрении в производство.

Объект исследования. Объектом исследования являются конструкция лесопожарнойгрунтометательной машины, параметры и технологический процесс ее работы.

Предмет исследования. Предметом исследования является форма, взаимное расположение и технологический процессзащитного кожуха-рыхлителя и фрезерного рабочего.

Научная новизна работы:

1) разработанаконструкция лесопожарнойгрунтометательной маши-ны,отличающаяся формой икомпоновкой активного и пассивного рабочих органов;

2) разработана математическая модель технологического процесса ле-сопожарной грунтометательной машины, отличающаяся учетом взаимодействия кожуха-рыхлителя и фрезерного рабочего органа с почвой;

3) конструктивные и технологические параметры взаимодействия кожуха рыхлителя и фрезерного рабочего органа с почвой, отличающиеся изменением величины заглубления кожуха рыхлителя, частоты вращения и угла отклонения лопаток фрезерного рабочего органа;

4) проведены испытания опытного образца разработанной лесопожар-ной грунтометательной машины, для оценки эффективности технологического процесса и технико-экономического обоснования новой конструкции.

Теоретическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключена врасширении теории динамического поведения механических конструкций при оценке влияния угла отклонения лопаток фрезерного рабочего органа и величины заглубления кожуха-рыхлителя на показатели эффективности лесопожарной грунтометательной машины, обосновании взаи-

7

модействия кожуха-рыхлителя и фрезерного рабочего органа с различными видами почв.

Практическая значимость работы состоит в разработке конструкций кожуха-рыхлителя и фрезы-метателя, позволяющих повысить эффективность создания минерализованных полос и тушения лесных пожаров грунтом, соз-данииопытного образца лесопожарнойгрунтометательной машины, а также рекомендаций по выборурежимов работы и основных конструктивных и технологических параметров рабочих органов разработанной конструкции.

Полученные результаты работывнедреныв учебно-опытном лесхозе Воронежского государственного лесотехническогоуниверситета и в учебном процессе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова» при подготовке бакалавров и магистров, а также в ФГБОУ «ПТЦ ФПС по Воронежской области».

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретические исследования проводилисьпри помощианалогового моделирования и разработке математической модели взаимодействия активного и пассивного рабочих органов с почвой в процессе работы лесопожарнойг-рунтометательной машины. В процессе экспериментальных исследованийис-пользовалась теория планирования, общепринятые методики научного поиска и обработки экспериментальных данных, а также теория вероятности и математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) новаякомбинация рабочих органов лесопожарной грунтометатель-ной машины, позволяющая повыситькачество создания минерализованных полос при проведении профилактических и лесопожарных работ;

2) математическая модель взаимодействия кожуха-рыхлителя и фрезерного рабочего органа с почвой, позволяющаяоптимизировать параметры технологического процесса создания минерализованных полос;

3) конструктивные и технологические параметры разработанной конструкции лесопожарной грунтометательной машины, позволяющие проводить

8

выбор оптимальных параметров рабочих органов для различных типов почв;

4) новая конструкция лесопожарной грунтометаельной машины и технико-экономическое обоснование рабочего процесса.

Степень достоверности и апробация результатоврабо-ты.Достоверность результатов работы обеспечивается высоким процентом совпадения результатов теоретических исследований, с полученными данными экспериментальных исследований опытного образца лесопожарной грунтометательной машины; применением современных методов планирования и статистической обработкой результатов экспериментов.

Основные положения диссертационной работы докладывались наследующих конференциях: всероссийской молодежной научно-практической конференции «Новые подходы в науке и технике» (г. Воронеж, 2015 г.), VIII международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее» (г. Невинномысск, 2015 г.),ХХ11 международной заочной научно-практической конференции «Современные тенденции развития науки и технологий» (г. Белгород, 2017 г.), XVIIмеждународной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки» (г. Санкт-Петербург, 2017 г.), а также научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного ле-сотехническогоуниверситета имени Г.Ф. Морозова (2014-2017 гг.).

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Результаты, полученные при проведении научных исследований, соответствуют п. 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин» паспорта научной специальности 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, разработке конструкцииэкспериментального образца, планировании и проведении экспериментов, выполнении вычислительных операций, анализе результатов экспериментальных исследований, а также подготовке основных публикаций по теме исследования.

Публикации. Проведенные теоретические и экспериментальные ис-

9

следования и материалы в рамках диссертационной работы были опубликованы в 11 работах, 1 публикацию, входящую в базы данных Scopus, 3 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 патента на изобретение.

Структура и объем работы. В структуру диссертациивходит введение, пять глав основного текста, основные выводы и рекомендации, а также библиографический список и приложения. Общий объем работы составил 169 страниц печатного текста, из них основного текста - 131 страница, библиографический список и приложения - 38 страниц. Работа включает 48рисунков, 9 таблиц и 123 использованных источника, 12 из которых иностранные.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Характеристика причин и условий возникновения лесных пожаров

Почти 70% территории России покрыто лесами. Общая площадь лесного фонда нашей страны составляет около 1180 млн. га. Более половины всех хвойных лесов планеты находится на территории Российской Федерации, общая площадь которых превышает 500 млн. га, а запас древесины в них составляет 5,8 млрд. м [111].

Из-за большого количества органической массы в виде хвои, листьев, маленьких и крупных веток, а также валежника и лесной подстилки, хвойные лесные массивы являются наиболее пожароопасными, поэтому большая часть очагов возгораний приходится именно на хвойные леса.

На территории лесничеств ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова были заложены пробные площади, на которых проводились исследования ландшафтов и структуры леса. Опираясь на эти исследования, можно определить величину надземной биологической массы модельных деревьев на пробной площади (таблица 1).

Таблица 1 - Количество органической массы модельных деревьев в

бору свежем, травяном, расположенном на рыхлых песках

Порода Масса надземной органики модельных деревьев, кг Общая масса, кг

Хвоя, листья Ветви мелкие Ветви крупные Ствол

Сосна 8,3 4,2 7,0 112 131,5

Береза 0,02 0,01 - 0,07 0,10

Осина 0,03 0,002 - 0,22 0,27

Дуб 0,03 0,03 - 0,26 0,29

Подрост (сосны) 0,43 0,36 0,40 1,10 1,19

В данных исследованиях рассматривается органическая масса только надземной части лесных ландшафтов, потому что именно в ней аккумулирована та энергия, которая при пожаре высвобождается в виде тепла и разрушает все вокруг.

Зная количество деревьев на площади в один гектар можно вычислить общую биомассу насаждения и отдельных его частей (таблица 2).

Таблица 2 - Биомасса бора свежего травяного на первой пробной

площади

Порода Масса надземной органики насаждений, т/га Общая масса, т/га

Хвоя, листья Ветви мелкие Ветви крупные Ствол

Сосна 9,1 4,6 7,7 123,2 144,6

Подлесок 0,012 0,009 - 0,09 0,1

В том числе: береза осина дуб 0,002 0,005 0,005 0,001 0,003 0,005 0,1 0,07 0,04 0,04 0,01 0,05 0,05

Подрост (сосна) 0,1 0,1 0,1 0,3 0,6

Лесная подстилка - - - - 6,1

Мох - - - - 1,8

Травы - - - - 1,2

Всего: 9,2 4,7 7,8 123,7 154,5

Исследования показали, что общая продуктивность лесного ландшафта в данном типе насаждения составляет 154,5 т/га. Из них 124 т. приходится на стволы деревьев, 22 т. - на легковоспламеняемую (хвоя, ветви) часть, и 9.1 т. - на лесную подстилку, моховой и травяной покров. Верховой пожар, в первую очередь, воздействует на хвою, ветви, обугливает кору деревьев, противостоять ему наземными способами очень сложно.

Низовой пожар распространяется по лесной подстилке, травяному и моховому ярусу. Поэтому, убрав с пути огня эти пожароопасные компоненты, можно в значительной мере предотвратить распространение пожара.

Степень пожароопасности лесных насаждений зависит от количества той энергии, которая накопилась в ландшафте за время его существования. Химические элементы, взятые лесом из относительно простых минеральных компонентов почв и более сложных органических соединений, участвующих в строительстве белков, жиров и углеводов, заряжаются солнечной энергией и ежегодно с опадом возвращаются на поверхность почв, накапливают ландшафт свободной энергией и превращает подстилку в могучий энергетический аккумулятор. Определив её массу и зная калорийность, были рассчитаны запасы этой энергии на гектар (таблица 3).

Таблица 3 - Энергетические запасы бора свежего травяного

Компоненты леса Масса т/га Запасы энергии п106

ккал кДж

сосна 144,6 361,5 106 1518106

подлесок 0,1 0,25 106 1,1 106

подрост 0,6 1,5 106 6,3 106

лесная подстилка 6,1 15,3 106 64,1 106

мох 1,8 4,5 106 18,9106

лесные травы 1,2 3 106 12,6106

Всего: 154,5 386106 1622106

Из проведенных исследований выявлено, что общая энергетика бора свежего травяного на песчаных почвах левобережного лесничества ВГЛТУ составляет 1622 млн. кДж на гектар или 8,2 ■ 106 мил. кДж на всей площади лесничества (507 га).

Очевидно, что такая пороховая бочка на окраине города требует большой осторожности и разработки качественных и эффективных противопожарных мероприятий.

Легковоспламеняющийся биологический материал нижних ярусов лесной экосистемы продуцирует 103 млн. кДж на гектар или 0,5 106 млн. кДж на всю лесную площадь. Поэтому способ создания широких противопожарных минерализованных полос с использованием разработанной конструкции ле-сопожарнойгрунтометательной машины позволит значительно сократить площадь возгорания.

Срезание лесной подстилки и верхних почвенных горизонтов при создании минерализованных полос и формировании широкой грунтовой насыпи, сократит площадь распространения низового пожара в пределах одного сектора.

1.2 Технология создания противопожарных минерализованных

полос в условияхлесного массива

Для защиты лесных массивов от возгораний, их разделяют на сектора, а в качестверазделительной полосы между ними служат защитные минерализованные полосы, препятствующие распространению огня за пределы одного сектора.Минерализованные полосы дают время и возможность для максимальной локализации очага возгорания внутри одного сектора, не позволяя огню, перекинутся на весь лесной массив.

Минерализованная полоса - это полоса, в которой полностью отсутствуют горючие материалы, созданная посредством обработки наземного покрова почвообрабатывающими орудиями либо иными способами до минерального слоя почвы.

Минерализованные полосы служат преградой на пути распространяющегося пожара, как опорная полоса для отжига, для локализации остановленного пожара и предотвращения возможности его дальнейшего распространения. Чтобы задержать огонь лесного пожара даже в тихую погоду, ширина минерализованной полосы, по данным Н.П. Курбатского, должна быть не менее двойной высоты пламени. При ветре потребная ширина полосы увеличивается настолько, что прокладка ее почвообрабатывающими орудиями

14

становится невозможной. В этом случае заградительные полосы шириной 30, 50 и более метров создаются отжигом от опорной минерализованной полосы.

Канавы создаются для остановки подземных пожаров. Глубина их должна быть до минерального слоя почвы или до воды, ширина у основания - не менее 30 см. Для прокладки канав применяют плуг-канавокопатель ПКЛН-500А, позволяющий проложить канаву глубиной 0,5 м и канавокопатель ЛКН-600, прокладывающий канаву глубиной 0,7 м, а при большой толщине слоя торфа - экскаваторы. Копают канавы и вручную, но только при тушении небольших очагов, поскольку технологический процесс является очень трудоемким [21, 57].

Минерализованные полосыобязательны для создания в лесном массиве вокруг участков, содержащих лесные культуры, различного рода постройки, а также ценные хвойные и лиственные насаждения.

Исходя из правил пожарной безопасности в лесных массивахРоссий-ской Федерации, противопожарные мероприятия в обязательном порядке проводятся на сезон пожарной активности вокруг лесосек с оставленной лесной продукцией или порубочными остатками. Также минерализованные полосы следует создаватьвдоль лесовозных и железнодорожных дорог, вокруг сельскохозяйственных площадей, граничащих с лесом, а такжепо границам складов, содержащих лесоматериалы, пиломатериалы, живицы и других пожароопасные объекты, находящихся внутри лесных массивов и близлежащих к ним территорий [21, 60, 64, 77, 83].

В областях, где естьвероятностьвозникновения почвенно-торфяных пожаров (вейниковые, разнотравные, осоковые и травяно-болотные типы леса), защитные полосы формируютпри помощи почвообрабатывающих орудий, бульдозеров. В случае необходимости создания более широких минерализованных полос применяется метод отжига напочвенного покрытия.Отжиг производится от опорной линии (минерализованной полосы) или между двумя опорными линиями [21, 23, 36, 77, 84].

Выбор способа и ширины прокладываемой минерализованной полосы-

происходит с учетом вида лесных насаждений, рельефа местности, возмож-

15

ной интенсивности и характера распространения пожара, а также наличия и доступности необходимых технических средств в пределах лесного массива и близлежащих территориях.

Схемы минерализованных полос, формируемыеразличными почвообрабатывающими орудиями, представлены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Схемы минерализованных полос, создаваемые различными почвообрабатывающими орудиями

Ширинаминерализованных полос,формируемых лесными плугами, как правило, ограничена размерами самого почвообрабатывающего орудия, и для расширения прокладываемой полосы необходимо совершить несколько проходов агрегата или же увеличить ширину самого плуга, что в условиях лесного массива зачастую является критичным.

Существенным отличием формирования противопожарных минерализованных полос при помощи существующих фрезерных орудий является то, что ширина таких полос может варьироваться независимо от размеров самого

орудия. Однако данный вид технических средств для проведения лесопожар-ных работ также не лишен недостатков таких как: высокая энергозатратность технологического процесса, низкая глубина обработки почвы, малый объем отсыпаемого грунта и т.д. [98].

1.3 Анализ рабочих процессов технических средств для

профилактики и тушения лесных пожаров

Исследованиями технологических и рабочих процессов почвообрабатывающих машин, а также конструкций лесопожарной техники, применяемой в лесном хозяйстве, занимались такие ученые, как: И.С. Федорченко, И.М. Зима, Е.И. Максимов, Т.Т. Малюгин, С.Н. Орловский, Г.Н. Синео-ков, А.Н. Чукичев, Ю.А. Добрынин, П.Н. Гоман, Г.А. Ларюхин, В.В. Чер-нышов, С.В. Фокин, А.И. Баранов, Д.В. Есков, И.М. Бартенев, В.И. По-сметьев, В.И. Казаков, Ф.В. Пошарников, П.И. Попиков, М.В. Драпалюк, П.Э. Гончаров и др.

Из почвообрабатывающих орудий, используемых для проведения профилактических лесопожарныхработ, широкое распространение получил плуг ПКЛ-70. Основной задачей этого плуга являетсяобработка почвы на не раскорчёванных вырубках с числом пней на 1 га до 600 шт. и осуществление посадки или посева лесных культур. Однако ПКЛ-70 очень часто используется и для создания противопожарных полос в качестве профилактических мер от возникновения лесных пожаров [12, 20, 21, 55].

Серьезным отличием ПКЛ-70 (рисунок 1.2) перед сельскохозяйственными плугами, является более прочная конструкция, котораяпозволяет ему преодолевать препятствия, часто встречающиеся в лесном массиве, такие как пни и большие корни [22, 23, 24]. Агрегатируются с тракторами ЛХТ55, ТДТ 55А, на песчаных и супесчаных почвах с тракторами ДТ 75М, МТЗ 82. Ширина прокладываемой плугом ПКЛ-70 минерализованной полосы составляет 1,2 м.

1 - дисковый нож; 2 - защитный лобовик; 3 - лемех; 4 - боковой подрезной нож 5 - отвал; 6 - рама; 7 - стойка; 8 - устройство для навески Рисунок 1.2 - Плуг комбинированный лесной ПКЛ 70

Также для прокладки противопожарных полос в лесном хозяйстве применяется плуг лесной полосной ПЛП-135 (рисунок 1.3), представляющий собой сварную конструкцию, состоящую из рамы 1, на которой крепятся детали рабочих органов, нож-колун 3 расположенный на носу конструкции, отвалов 4 и лемеха 5.

1 - рама; 2 - навесное устройство; 3 - нож-колун, 4 - отвал, 5 - лемех Рисунок 1.3 - Корпус плуга ПЛП-135

Рама представляет собой пространственную форму, которая состоит из двух горизонтальных брусьев, сваренных в стыке к стояку и закрытых с двух сторон железными листами. На каждом брусе закреплено по четыре щита,

которые жестко соединены практически у основания, к щитам приварены соединительные подкладки, играющие роль основания для крепления лемехов и отвалов. Кронштейны и головка представляют собой опору плуга при навеске его на толкающую раму [12, 21, 45, 52].

Агрегатируется с тракторами Т-130, БГ-3 и устанавливаетсяна переднюю навеску трактора. Трактор с навешенным орудием двигается вперед и создает минерализованную полосу шириной до 1,3 м и глубиной обработки до 30 см.

Плуг-канавокопатель лесной навесной ПКЛН-500А (рисунок 1.4) используется для обработки почвы под лесные культуры, прокладывание осушительных канав глубиной до 50 см и прокладки противопожарных полос. В зависимости от условий применения и назначения ПКНЛ-500 можно агрега-тировать с тракторами типа Т-ЮОМГС, ЛХТ-55, ДТ-55А, ТДТ-75 [21, 41, 9, 91].

¡2 3 4

8 7 6

Рисунок 1.4 - Плуг-канавокопатель лесной навесной ПКЛН-500А

Плуг-канавокопатель ПКЛН-500А осуществляет создание минерализованной полосы шириной 2,3 м, ширина по дну - 0,3 м, глубина канавы - 0,5 м, коэффициент заложения откоса 1,0. Плуг-канавокопатель ПКЛН-500 А используется только на торфяных почвах, на других видах почвы малоэффективен [9, 10, 21, 51, 86].

В ЛенНИИЛХе созданы фрезерные машины ПФ-1, ГТ-3, АЛФ-10.

Компоновка оборудования на основе базовых технических средств образует

19

лесопожарные агрегаты с двумерной силовой передачей: тракторной, при которой передача крутящего момента происходит от двигателя к движителю, и фрезерной, силовая передача, которой осуществляется от двигателя через вал отбора мощности к фрезерному рабочему органу. Все лесные машины с фрезерными рабочими органами по своему типу являются навесными, но в рабочем положении вращение фрез производится на опорных катках при плавающем режиме работы навесной системы трактора. Внешнее воздействие на привод в большинстве случаев оказывается от двигателя, агрегата и движителя. Полигармоническое влияние от двигателя также заменяется случайным. На основе единства силовых передач МТА создана методика построения обобщенных расчетных и математических моделей работы данных силовых передач, позволяющих проводить анализ нагруженности и оптимизацию основных параметров. [21, 53, 65, 89].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ступников Дмитрий Сергеевич, 2018 год

// // //

// /У л/

10

15

20

25

30

р. см

а)

4

//

//

— - --

Ю

15

20

25

30

р. см

б)

N.

\кВт 35

30

25

20

15

10

// Г/ £

£ // // // г

у/ / г // /

/<< ✓V //

/

10

15

20

25

30

р. см

в)

а - на среднюю дальность выброса грунта Ьср; б - на производительность?; в - на потребляемую мощность^ где ось ОХ - показатели величины заглубления кожуха-рыхлителя Ир, а ось ОУ - показатели эффективности лесопожарной грунтометательной машины Ьср, N и Р.

Рисунок 4.2 - Влияние величины заглубления кожуха-рыхлителя на показатели эффективности технологического процесса лесопожарнойгрунтометательной машины

Из полученных графиков можно установить, что при значениях величины заглубления кожуха-рыхлителя равной 25.30 см наблюдаются наилучшие показатели дальности выброса грунта и производительности, равные 19,6.20 м и 0,19.0,20 м /с соответственно, а потребляемая мощность находится в допустимом диапазоне 34,9. 36,6 кВт.

Уменьшение величины заглубления кожуха-рыхлителя приводит к снижению производительности и качества технологического процесса работы орудия. Ведь сокращение объема грунта, поступающего к фрезерному рабочему органу, негативно сказывается на толщине отсыпаемого покрытия, что в свою очередь снижает эффективную дальность выброса грунта и максимальную ширину минерализованной полосы.

В конструкции опытного образца лесопожарнойгрунтометательной машины предусмотрены 3 позиции угла отклонения лопаток 120°, 135° и 150°. Полученные экспериментальные зависимости основных показателей эффективности орудия от угла отклонения лопаток фрезерного рабочего органа а показаны на рисунке 4.3.

4д н

20

15

Ю

5

120 ' 135 ' '150 '"¿Рай

а)

^SN СЧ

>\ NN

м/с 0,21 0.18 0.15 0.12 0.9 0.6 0.3

Т~ т ■

1 -^ч (,4

NN

\\ N4

N

/V.

кВт ЬО

35

30

25

20

15

10

5

а

120

135

150

град.

б)

1 ?0 1 15 И >0

а

град

в)

а - на среднюю дальность выброса грунта Ьср; б - на производительность?; в - на потребляемую мощность^ где ось ОХ - показатели угла отклонения лопаток а, а ось ОУ - показатели эффективности лесо-пожарной грунтометательной машины Ьср, N и Р.

Рисунок 4.3 - Влияние угла отклонения лопаток фрезерного рабочего органа на показатели эффективности технологического процесса лесопожарнойгрунтометательной машины

Из полученных зависимостей можем наблюдать, что при увеличении угла отклонения лопаток основные показатели эффективности снижаются. Это происходит из-за того, что при увеличении угла отклонения увеличивается просвет между кожухом-рыхлителем и краем лопасти, что приводит к потере объема грунта, захватываемого лопастями. Также этот параметр влияет на величину угла выброса грунта и соответственно на максимальную дальность. Оптимальным значением средней дальности выброса грунта Ьср

-5

(19,8м), производительности Р (0,21 м/с) и потребляемой мощностью N (36 кВт) является угол расположения лопатки 120°.

Изменение угла отклонения лопаток, позволяет адаптировать орудие для определенной задачи. Например, для непосредственного тушения кромки лесного низового пожара важнейшим фактором является максимальная эффективная дальность выброса грунта и оптимальным углом наклона лопасти. Поэтому для этой задачи оптимальным будет являться угол 120°, а для проведения профилактических работ по прокладке минерализованных полос важна ширина и толщина отсыпаемого покрытия, для этих целей целесообразно использовать угол отклонения 135° и специальный направляющий кожух.

В процессе проведения экспериментальных исследований были получены зависимости основных показателей эффективности орудия от скорости движения агрегата, которая варьировалась от 0,3.0,9 м/с. Зависимости мощности N средней дальности выброса грунта Ьср и производительности Р от скорости движения агрегата представлены на рисунке 4.4.

ср. м 20

10 5

/s // /7

í //

/7 /7 // //

0. 3 0. 6 0. 9

P3/

м/с 0.21 0.18 0.15■ 0.12 0.90.6-0.3-

0.3

а)

0.6 6)

0.9

ü~ м/с

'M

— íf //

//

/ y 7

VM, м/с

N.

ТО/77

40 35 30 25 20 15 10 5

ух /? Л

У/

0.3

0.6

в)

0.9

I)

n. м/с

а - на среднюю дальность выброса грунта Ьср; б - на производительность?; в - на потребляемую мощность^ где ось ОХ - скорости движения агрегата г, а ось ОУ - показатели эффективности лесопожар-ной грунтометательной машины Ьср, N и Р.

Рисунок 4.4 - Влияние скорости движения агрегата на показатели эффективности технологического процесса

лесопожарной грунтометательной машины

Как видно из полученных графиков (рисунок 4.4), оптимальные значения параметров Ьср, ? и N находятся в интервале 0,8.0,9 м/с. При этом средняя дальность выброса грунта Ьср колеблется в пределах 19,8.20 м, производительность ? - 0,19.0,21 м/с, а потребляемая мощность N -35,6.36,2 кВт.

При дальнейшем увеличении скорости движения агрегата происходит снижение основных параметров эффективности технологического процесса. Это связано с тем, что фрезерный рабочий орган, с максимальной частотой вращения до 9 с-1, не будет успевать выбрасывать пласт поступающего к фрезе-метателю грунта и в итоге произойдет заклинивание фрезерного рабочего органа. А при уменьшении скорости движения агрегата объема поступающе-

го к фрезе грунта будет недостаточно для проведения качественного технологического процесса.

4.2 Показатели эффективности рабочего процесса лесопожарной грунтометательной машины от типов почв

Одним из факторов, оказывающим значительное воздействие на эффективность технологического процесса лесопожарнойгрунтометательной машины, является тип почвы. Экспериментальные исследования опытного образца разработанной конструкции проводились на четырех типах почв: глинистых, суглинистых, песчаных и супесчаных.

Экспериментальные зависимости основных параметров эффективности технологического процесса лесопожарнойгрунтометательной машины от типов почв показаны на рисунке 4.5.

Из полученных графических зависимостей видно, что Средняя дальность выброса грунта Ьср от песчаного типа почвы к суглинистому растет и имеет наилучшие показатели в пределах суглинистых и глинистых почв.

^ ср. н ' 20-

Ю• 5

1 2

а)

в)

а - на среднюю дальность выброса грунта Ьср; б - на производительность?; в - на потребляемую мощность^ где ось ОХ - тип почвы Тп, а ось ОУ - показатели эффективности лесопожарной грунтометательной машины Ьср, N и Р.

Рисунок 4.5 - Влияние типов почв на показатели эффективности технологического процесса лесопожарной

грунтометательной машины где: 1 - песчаный тип почвы; 2 - супесчаный тип почвы; 3 - суглинистый тип почвы

Это говорит о том, что при работе на песчаных и супесчаных почвах дальность выброса ограничена высоким пылеобразованием грунта. Одна-

91

ко,низкая плотность почвы способствует увеличению скорости движения агрегата, а так же повышению величины заглубления орудия в грунт, что позволяет увеличить толщину и качество отсыпаемого покрытия.

Изменение скорости движения агрегата от типов почв показана на рисунке 4.6.

Из полученного графика видно, что с увеличением плотности грунта, скорость агрегата снижается. Оптимальная скорость движения варьируется в пределах супесчаных суглинистых почв. Поэтому целесообразно использовать лесопожарнуюгрунтометательную машину для проведения профилактических работ, а также для непосредственной локализации лесных пожаров именно на таких типах почв.

°м. м/с.

0.9

0.8 0.7

ае

0.5■

ол,

0.3

0.2

0.1•

1 2 3

1 - песчаный тип почвы; 2 - супесчаный тип почвы; 3 - суглинистый тип почвы, где ось ОХ - тип почвы Тп, а ось ОУ - показатели скорости движения агрегата г.

Рисунок 4.6 - Влияние типов почв на скорость движения агрегата

4.3 Планирование многофакторного эксперимента по проведению профилактических и противопожарных мероприятий

Планирование многофакторного эксперимента позволяет достаточно точно задать каждый необходимый параметр в необходимом диапазоне, а также позволяетрешить несколько основных задач:

1. планирование эксперимента для проведения математического описания объекта (интерполяционная задача);

2. планирование эксперимента для определения оптимальных значений и условий (оптимизационная задача).

Для того чтобы решить первую задачу необходимо создание математической модели изучаемого объекта, то есть нахождение зависимостей и закономерностей всех выходных величин изучаемого объекта от изменяющихся факторов.

Вторая задача решается путем нахождения таких значений варьируемых факторов, при которых выходные величины изучаемого объекта будет принимать необходимое максимальное или минимальное значение. То есть будет решаться задача оптимизации для изучаемого процесса или объекта [1, 4, 20, 56, 76, 107, 108].

Процесс выброса грунта является сложным и многофакторным. Экспериментальное исследование позволяет варьировать большое количество как технологических, так и конструктивных факторов (параметров), каждый из которых оказывает значительное влияние на процессы метания грунта. Необходимо исследовать влияние большого количества управляемых факторов, поэтому нельзя выделить какие-то главные факторы. Созданная методика проведения экспериментальных исследованийпозволяет достаточно просто и точно задать каждый из факторов в необходимом значении [20, 56, 76].

Взаимосвязь входных и выходных параметров экспериментальных ис-следованийсхематически изображена на рисунке 4.7. На этой схеме выделены три группы переменных, которые характеризуют проводимый экспери-

93

1) параметры лесопожарнойгрунтометательной машины;

2) возмущающие факторы;

3) показатели эффективности технологического процесса.

Возмущающие факторы Показатели

Параметры

лгм

А

Г

1

"р а

СОоб

Оа

Г

Тп к6 \ /

л

Эксперимент по профилактике и ту шению лесных пожаров

эффективности технологического процесса ЛГМ

X

г

л

р I

ср

Рисунок 4.7 - Оптимизационная постановка задачи на эксперимент

К первой группе переменных «Параметры ЛГМ» относится совокупность технологических и конструктивных параметров лесопожарнойгрунтометательной машины, которые могут изменяться в ходе эксперимента на необходимых уровнях. Среди большого числа параметров исследуемой конструкции, на эффективность технологического процесса работы ЛГМ наибольшее влияние оказывают четыре основных фактора:

Ир - величина заглубления кожуха-рыхлителя (ротора), см; а - угол отклонения лопаток, юоб - частота вращения ротора, с-1; иа - скорость движения агрегата, м/с.

Вторая группа «Возмущающие факторы» представляет собой такие экспериментальные параметры, которые мы можем определить, но искусственно задать их невозможно. К таким факторам при выбросе грунта и прокладке минерализованных полос можно отнести: Тп - тип почвы; кв - коэффициент влажности.

Третья группа параметров «Показатели эффективности технологического процесса ЛГМ» включает в себя характеристики процесса метания грунта, которые изменяются в процессе экспериментальных исследований (качество проводимых технологических операций, производительность, экономические и энергетические затраты). Для этой группы были выбраны три выходных параметра:

Ьср - средняя дальность выброса грунта (показатель эффективности работы орудия), м;

-5

Р - производительность (показатель качества работы), м/с;

N - мощность, затрачиваемая лесопожарнойгрунтометательной машиной, (показатель экономической эффективности), кВт.

Задачей оптимизации экспериментальных исследований является нахождение таких диапазонов варьируемых параметровлесопожарнойгрунто-метательной машины, при которых основные показатели эффективности работы машины были бы наилучшими. К тому же, разработанная конструкция должна как можно меньше зависеть от параметров почвы. В нашем случае задачу оптимизации можно представить аналитически в виде системы урав-нений[20, 76 107]:

f N(hp, a, wo6,ua) ^min; P(hp,a, wo6,ua) ^ max;

LCp(hp, a, Wo6,Ua) ^ max; (4 1)

N ^ const(Tn, kB); P0 ^ const(Tn, кв); , Lcp const (Тп, кв).

Нахождение тройного оптимума в четырехфакторном пространстве при условии зависимости еще от двух факторов является очень трудной задачей. В процессе проведения экспериментальных исследований решение данной задачи производилось следующим образом: прежде всего исследовались зависимости выходных параметров от каждого отдельного фактора (hp, a, wo6, ua), которые в дальнейшем изменялись на 3.12 уровнях при фик-

сированных значениях других параметров, после чего делались выводы о тех или иных оптимальных конструктивных и технологических параметрах ле-сопожарнойгрунтометательной машины (Lcp, Р, N) или о воздействии параметров почвы (Тп, кв). Затем решалась двухфакторная задача оптимизации:

N(hp,^o6) ^ min;

P(hp,^o6) ^ max; (4.2)

^cpOv °°об) ^ max-

Так как новизна лесопожарнойгрунтометательной машины связана с использованием фрезерного рабочего органа, защищенного кожухом-рыхлителем, особое внимание следует уделить частоте вращения фрезы-метателя и величине заглубления кожуха-рыхлителя.

4.4 Экспериментальная оптимизация параметров рабочих органов лесопожарнойгрунтометательной машины

Для получения более точных результатов экспериментальных исследований была проведена серия из 12 независимых друг от друга опытов по созданию минерализованных полос и выбросу грунта в заданную область лесо-пожарнойгрунтометательной машиной на различных типах почв (таблица 4.1). В данной серии экспериментов частота вращения ротораюоб менялась на уровнях 350, 450, 500 с-1, а величина заглубления кожуха-рыхлителя hp - на уровнях 10, 15, 20, 25 см.

Аппроксимация полученных результатов экспериментальных исследований проводилась при помощи математической программы MathCAD 15 методом наименьших квадратов [20, 76].

Частота вращения ротора юоб при проведении эксперимента задавалась при помощи регулировки расхода жидкости в гидростанции. Это позволило создать широкий диапазон варьирования частоты вращения рабочего органа орудия (от 1 до 10 с-1).

Величина заглубления кожуха-рыхлителя hp варьировалась при помо-

96

Выявленные в ходе аппроксимации полиномом второго порядка аналитические закономерности функций Ьср (/л, Ил), Р(/л, Ил), Щл, Нл) по полученной совокупности данных компьютерных экспериментов могут быть записаны следующим образом:

2 2

К(Шоб, Ир) = + к2Нр + кз Юоб -Ьр + кА Юоб + £5 % + к6, (4.3)

где К- рассчитываемый критерий оптимизации (£ср Р или Ы);

к1 ... к6 - коэффициенты многочлена [52].

Для определения коэффициентов критерия оптимизации К(юоб, Ир) применялся метод наименьших квадратов [1, 4, 5, 20, 27, 40, 76], с помощью которого решается обратная задача: находятся такие значения коэффициентов к1 ... к6, при которых сумма квадратов отклонений аналитической зависимости от точек компьютерного эксперимента была бы минимальной:

£ ■=1 ( /нал ИТ. ( ^ о б' Ц>) ~ КЭ ( шоб' Ц>))2 1 П, (4 4)

где / - номер компьютерного эксперимента;

- общее количество экспериментов;

Каналит. - аналитическая зависимость критерия К от факторов;

К^ - табличные значения критерия К для /-го эксперимента.

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

Ьср(тоб, Ир) = 0,271 а>об +0,109Ир+2,243 •Ю-3а>об % - 0,015шоб2 - 1,41710-4Ир2-23,688; (4.5)

Р(юоб, Ир) = 6,067-10-3шоб + 9,333•10-4Ир +10- 10-6шоб •Ир -1,333-Ю-4^ 21,167 • 10-6Ир2-0.156; (4.6) Щюов, Ир) =0,186шоб + 0,255Ир+2,371- 10~3тоб -Ир-0,014шоб 2 - 3- 10-4 Ир2 -38,918. (4.7) где шоб и Ир - частота вращения ротора и величина заглубления кожуха-

рыхлителя лесопожарной грунтометательной машины, измеряются в миллиметрах (мм);

Ьср - средняя дальность выброса грунта, м;

-5

Р- производительность машины, м/с; N - затрачиваемая мощность, кВт.

Таблица 4.1 - Результаты многофакторного эксперимента по влиянию

технологических параметров рабочих органов лесопожарнойгрунтометательной машины на показатели ее эффективности

№ Ир, м ®об,е-1 N кВт Ь, м Р, м3/с

1 10 350 23,5 7 0,11

2 10 450 25,4 7,5 0,12

3 10 500 26 8 0,12

4 15 350 24,9 9 0,14

5 15 450 30,5 11 0,15

6 15 500 31,2 13 0,15

7 20 350 27,4 11,8 0,17

8 20 450 35,9 17,9 0,19

9 20 500 36,4 18,2 0,19

10 25 350 31,2 14,5 0,18

11 25 450 37,8 19,8 0,21

12 25 500 38,3 19,7 0,21

Для проведения статистическойоценки значимости коэффициентов полиномов использовали Б-критерий (критерий Фишера) [1, 2, 6, 15, 16, 26, 34, 47, 109].

Полученные аналитические закономерности Ьср (шоб, кр), Р(шоб, кр), Ы(юоб, Нр) для удобства восприятия были отображены в виде графических изображений при помощи поверхностей отклика (рисунок 4.8) [20, 76].

В)

а - для средней дальности выброса грунта Ьср; б - для потребляемой мощности К; в - для производительности Р; где ось ОХ - величина заглубления кожуха-рыхлителя Ир, см, ОУ - частота вращения ротора юоб, с-1, ОЪ -один из показателей эффективности.

Рисунок 4.8 - Частные поверхности отклика при оптимизации

кинематических параметров юоб и Ир

При дальнейшем количественном анализе полученные поверхности отклика были представленыв виде линий уровня (рисунок 4.9). На каждой из полученных поверхности отклика и линий уровня факторное пространство (шоб, Ир) разбито на области: благоприятную (заштрихованная область, красный цвет), в которой необходимый критерий оптимизации показывает максимальное или минимальное значение, и не благоприятную (фиолетовый цвет), в которой нужный нам параметр оптимизации принимает обратное, негативное значение.

Для установки граничных значений необходимых критериев, которые будут разделять благоприятные и неблагоприятные области, использовалось общепринятое правило: благоприятная область должна занимать от 10 до 30 %факторного пространства, не включать в себя области резкихперепадов функции и должна иметь привязку к нормативным значениям каждого критерия [20, 76].

а)

30 •30

•30 -40

10 20 30

б) 100

в)

г)

а - для Ьср(шоб,Ир); б - для Ы(тоб, hp); в - для Р(шоб, hp); г - общая оптимальная область (выделена красным цветом); где ось ОХ - частота вращения ротора юоб, с-1, OY - величина заглубления кожуха-рыхлителя hF, см, OZ - один из показателей эффективности.

Рисунок 4.9 - Экспериментальные оптимальные области факторного пространства

При совмещенииоптимальных областей трех критериев эффективности (рисунок 4.9, а, б, в) был получен один общий график (рисунок 4.9, г), на котором показана общая оптимальная область всех трех критериев эффективности машины. Анализ полученной области показывает, что наиболее оптимальное сочетание технологических параметров частоты вращения ротора и величины заглубления кожуха-рыхлителя достигается при шоб = 460.500 об/мин и Ир = 22.30 см. При таких значениях данных параметров затрачиваемая мощность N также находится в оптимальной области нагрузки используемой гидросистемы.

Таким образом, посредствам решения задачи оптимизации были сформулированы рекомендации по выбору значений параметров скорости вращения ротора шоб и величины заглубления кожуха-рыхлителя Ир, обеспечивающие максимально эффективный рабочий процесс лесопожарнойгрунтомета-тельной машины.

4.5 Основные результаты и выводы

1. В результате анализа полевых исследований экспериментального образца лесопожарнойгрунтометательной машины и построенных на их основе зависимостей, определены оптимальные значения технологических параметров рабочих органов лесопожарной грунтометательной машины.

2. Технологические параметры разработанной конструкции должны быть следующими: частота вращения ротора ю = 8.9 с-1, величина заглубления кожуха-рыхлителяИр = 25.30 см, скорость движения агрегата, га = 0,8.0,9 м/с, а угол отклонения лопаток а = 120°. В таком случае показатели эффективности Ьср и Р будут максимальными, а затрачиваемая мощность будет находится в оптимальном, рабочем диапазоне.

3. Выявлено, что типы почв Тп и их фракционный состав оказывают существенное влияние на технологический процесс создания минерализованных полос и выброса грунта в зону пожара. Были определены

оптимальные типы почв для эффективной работы лесопожарной грунтометательной машины.

4. Оптимальными типами почв для эффективной работы лесопожарнойгрунтометательной машины являются: супесчаные, песчаные, суглинистые и глинистые почвы.

5. Экспериментальная оптимизация технологических параметров рабочих органовлесопожарнойгрунтометательной машины позволила определить их оптимальные значения: частоту вращения ротора шоб = 460.500 об/мини величину заглубления кожуха-рыхлителя = 22.30 см. При этом лесопожарная грунтометательная машина выбрасывает грунт в зону пожара на расстояние до 20 м, потребляет не более 38 кВт мощности, а производительность составляет, в среднем 0,21м .

5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА ЛЕСОПОЖАРНОЙ ГРУНТОМЕТАТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

5.1 Оценка работоспособности экспериментального образца лесопожарнойгрунтометательной машины

На учебно-опытном полигоне кафедры МЛХиПМ ВГЛТУ были проведены экспериментальные исследования работы лесопожарнойгрунтомета-тельной машины (рисунок 5.1).

Опыты были направлены на изучение качественных показателей метания грунта в требуемую сторону.

Осуществление технологического процесса опытным образцомлесопо-жарнойгрунтометательной машины происходит следующим образом: агрегат навешивается на заднюю гидравлическую навесную систему трактора.При поступательном движении трактора кожух-рыхлитель заглубляется в грунт

Рисунок 5.1 - Экспериментальный образец лесопожарной грунтометательной машины

на глубину до 30 см, рыхлит его, образовывая почвогрунтовый вал и оставляя за собой минерализованную полосу шириной до двух метров. Фрезерный рабочий орган,приводит в движениегидравлический мотор, закрепленный в задней части орудия. Фрезаосуществляет выброс грунта из окон кожуха-рыхлителяв необходимую сторону на расстояние до 20 м. Таким обра-зом,лесопожарнаягрунтометательная машина позволяет осуществлять тушение кромки лесных низовых пожаров на расстоянии до 20 м., а также создавать минерализованные полосы шириной до 10 метров. В таблице 5.1 приведены основные параметры экспериментального образца разработанной конструкции [95, 96, 97, 100].

Таблица 5.1 - Параметры экспериментального образца лесопожарной грунтометательной машины

№ Наименование параметра Ед. Значения

1 2 3 4

1 Габаритные размеры: длинна ширина высота мм мм мм 2350 1750 1100

2 Масса кг 700

3 Агрегатируется с трактором Т-150, Т-150К, ЛХТ-55

4 Частота вращения ротора об\мин 500

5 Ширина захвата ротора мм 1000

6 Машина должна обеспечить высоту грунтовой насыпи см 5...7

7 Средняя дальность выброса грунта м 18...20

Процесс метания грунта протекает стабильно и равномерно (рисунок 5.3). Высоту и дальность выброса грунта регулировали с помощью измене-

105

ния угла отклонения лопаток, а также за счет изменения числа оборотов фрезерного рабочего органа.

Рисунок 5.3 - Процесс метания грунта лесопожарной

грунтометательной машиной в начале рабочего процесса (а) и в середине рабочего процесса (б)

После прохода агрегата по оси движения оставалась мнерализованная полоса шириной около двух метров (рисунок 5.4). Геометрические измерения параметров профиля поперечного сечения поверхности, остающейся за агрегатом, производили с помощью рулетки (рисунок 5.5).

Рисунок 5.4 - Результат работы лесопожарнойгрунтометательной машины (без учета площади отброшенного грунта)

б)

Рисунок 5.5 - Измерение геометрических параметров профиля поверхности, после прохода агрегата

В качестве аналогов технологического процесса, осуществляемого разработанной машиной, можно рассматривать такие орудия как тракторный грунтомет ГТ-3, фрезерныйполосопрокладыватель ПФ-1 и лесопожарный фрезерный агрегат АЛФ-10.

Однако у этих орудий есть ряд недостатков, таких как малая дальность выброса грунта, величина заглубления лопаток в почву и как следствие недостаточная толщина отсыпаемого покрытия, невозможность использования орудий на средних и тяжелых почвах, насыщенных корнями древестно-кустарниковой растительности.

В расчете экономической эффективности за базовую модель был принят фрезерный полосопрокладыватель ПФ-1, который агрегатируется с тракторами аналогичного класса мощности ЛХТ-55, ДТ-75, Т-74, Т-4. Глубина создаваемой борозды до 20 см, общая ширина заградительной полосы 8.10 м, а средняя производительность 1.5.2.0 км/ч.

Преимущества разработанной конструкции заключаются в увеличении надежности, повышении эффективности и качества проведения лесопожар-ных работ, за счет жёстко закрепленного на раме кожуха-рыхлителя для защиты фрезерного рабочего органа от ударов о препятствия и предварительного рыхления почвы, а также за счет возможности менять высоту выброса грунта, что позволяет создавать минерализованные полосы повышенной ширины (до 5 м).

Защита фрезерного рабочего органа достигается за счет того, что он помещается внутрь кожуха-рыхлителя, который охватывает фрезерный рабочий орган снизу и предотвращает удары о препятствия в виде пней и корней. Увеличение эффективности работы достигается за счет предварительного рыхления грунта кожухом-рыхлителем и разрезания мелких корней тремя ножами, установленными на нем. Также ножи исключают попадание больших корней и пней к фрезерному рабочему органу за счет того, что опираясь на них, лесопожарнаягрунтометательная машина способна наползать на препятствия, которые ножи не в состоянии перерезать [69].

5.2 Технико-экономическая эффективность лесопожарной грунтометательной машины

Таблица 5.2 - Исходные данные расчёта показателей экономической эффективности экспериментального образца

лесопожарной грунтометательной машины

Наименование показателя Единицы Базовая Проектная

измерения модель модель

Цена орудия руб- 220000 270000

Часовая производительность орудия пог.км/ч 2.0 2,4

Время смены ч 8 8

Число смен 1 1

Годовая загрузка орудия дни 140 140

Цена трактора р. 1800000 1600000

Годовая занятость трактора на всех видах работ час 1120 1120

Количество обслуживающего персонала/разряд ч./разряд 1/у 1/у

Часовая тарифная ставка 1 разряда р. 102 102

Коэффициент, учитывающий надбавки и доплаты 2 2

Дополнительная зарплата % 20 20

Страховые взносы % 30 30

Отчисления по травматизму % 0,9 0,9

Отчисления на амортизацию: - по орудию - по трактору % 14,3 25 14,3 25

Отчисления на ТО и ремонт: - по орудию - по трактору % 23 39 23 39

Комплексная цена нефтепродуктов руб. 41 41

Расход горючего на единицу выработки кг.

Нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений 0.15 0.15

Определим производительностьлесопожарнойгрунтометательной машины. Производительность за 1 час эксплуатационного времени определена по результатам полевых испытаний с учетом средней производительности в час, чистой работы и коэффициента использования эксплуатационного времени [33, 37, 66, 67, 78, 79].

Рассчитаем сменную производительность по формуле

П = П ■ Т , (51)

см ч см?

где Пч - часовая производительность орудия; Тсм - время смены, час; Пб = 28 = 16 пог. км/час;

СМ

Ппр = 2,4 8 = 19,2пог. км/час.

Рассчитаем дневную производительность по формуле

Пдн = Псм ■п, (5.2)

где п - число смен;

Пбн = 16 • 1=16 пог. км/дн; П2 = 19,2 • 1=20 пог. км/дн.

Рассчитаем годовую производительность по формуле

Пгод = Пдн ■ Д, (5.3)

где д - количество дней работы орудия в году. Пбгой = 16 • 140 = 2240пог. км/год; ПЦ, = 19,2 • 140 = 2688пог. км/год.

1. Определим капитальные вложения (для базовой и проектируемой модели):

Расчёт капитальных вложений по орудию:

Ко = Цо ■ К ■ ко, (5.4)

где Ц0 - цена орудия, руб.,

N - количество техники,

К - коэффициент, учитывающий затраты на транспортировку, монтаж,

110

установку и наладку оборудования (для оборудования, требующего монтаж К1=1,2, для остального К1=1,1).

Кбо = 220000 • 1,1 • 1=242000 руб.; Кпор = 300000 • 1,1 • 1=297000 руб. Определение капитальных вложений по трактору:

Кт = Цт • К, • Nт, Мт - количество тракторов. Кт=1600000 • 1,1 • 1 =1760000 руб. Общие капитальные вложения:

К = К + К

о т

Кб = 242000 + 1760000 = 2002000 руб.; Кпр = 297000 + 1760000 = 2057000 руб. Удельные капитальные вложения:

К

(5.5)

(5.6)

К, =■

П

(5.7)

Т.б 2002000 оп~ 0 Л К° =-= 893,8 руб.;

К"р =

2240

2057000 2688

= 765,3 руб.

Поскольку мы разрабатываем новую конструкцию машины, а не модернизируем уже имеющийся образец, в качестве дополнительных капитальных вложений принимаем цену на создание самого орудия.

А К =300000 руб.

2. Определим текущие затраты для базовой и проектируемой модели машины для тушения лесных пожаров. В состав текущих затрат включаются:

З - затраты на оплату труда обслуживающего персонала, руб.;

А - амортизационные отчисления по орудию, руб.;

Т - затраты на техническое обслуживание и ремонт орудия, руб.;

Зт - затраты на амортизацию, ТО и ремонт по трактору, руб.;