Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Among a large number of design parameters of milling working body of the forest fire grandmaternal machine the most significant influence on the efficiency of the process parameters have a length lb and width l blades. In this paper, multifactorial optimization of these parameters was carried out. The following criteria were chosen as efficiency criteria: average range of soil discharge, power consumption and productivity. The optimization task was to find such values of the parameters ll and HL, in which the average range of soil emission LSR and the performance of the machine P would be as large as possible, and the power consumed by the forest fire soil – throwing machine N-Nai-less. To solve this problem, a series of 16 computer experiments of the developed design was carried out. In this series, the blade length parameter ll changed at levels 170, 200, 230, 260 mm, and the blade width parameter HL-at levels 160, 180, 200, 220 mm. Approximation of the experimental results was carried out using the mathematical program MathCAD 15 by the method of least squares. The f-criterion (Fisher criterion) was used to carry out a statistical evaluation of the significance of the cafficients of polynomials. The obtained analytical regularities for the convenience of perception and analysis were displayed in the form of graphic images with the help of response surfaces and level lines. The response surface and level lines were also obtained, which show the overall optimal area of all three performance criteria. After analyzing the obtained dependences, we can recommend as the optimal values of the length and width of the blade ll = 200 ... 230 mm, HL = 180...250 mm
forest fire soil spreading machine, optimization, approximation, performance, power consumption
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∙ 10–4lл ∙hл – 9,375∙ 10–4lл2 – 3,889∙ 10–4hл2 – 50,032; (2)
P (lл, hл) = –3,715 ∙ 10–3lл + 3,382∙ 10–4hл + 4,767 ∙ 10–6lл ∙hл + 8,75∙ 10–6lл2 – 2,222∙10–6hл2+0,418; (3)
N (lл, hл) =–0,101lл + 0,072hл – 7∙ 10–5lл ∙hл + 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/с |
|
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 |
|
а) |
б) |
|
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).
|
а) |
б) |
|
||
|
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 |
|
|||
|
|
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.
1. Gnusov, M.A. Obosnovanie parametrov kombinirovannyh rabochih organov gruntometa dlya prokladki mineralizovannyh polos v lesu [Tekst]: dis…kand.teh.nauk / M.A. Gnutov. - Voronezh, 2014. - 140 s.
2. Fedorchenko, I.S. Rezul'taty eksperimental'nyh issledovaniy gruntometa lesopozharnogo [Tekst] / I.S. Fedorchenko // Vestnik krasnoyarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - Krasnoyarsk, 2012. - №9. - S. 162-166.
3. Bartenev, I.M. Kombinirovannyy lesopozharnyy gruntomet i rekomendacii po ego primeneniyu [Elektronnyy resurs] / I.M. Bartenev, M.V. Drapalyuk, P.E. Goncharov, M.A. Gnusov, A.A. Tambi, V.E. Klubnichkin // Politematicheskiy setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2012. - № 84. - S. 174-184.
4. Goncharov, P.E. Perspektivnye konstrukcii protivopozharnyh gruntometov [Tekst] / P.E. Goncharov, P.I. Popikov, M.A. Gnusov, N.A. Sherstyukov // Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovaniy XXI veka: teoriya i praktika. - 2014. - T. 2. - № 2-2 (7-2). - S. 54-59.
5. Krivcov, A.M. Deformirovanie i razrushenie tel s mikrostrukturoy [Tekst] / A.M. Krivcov. - M.: FIZMATLIT, 2007. - 304 s.
6. Goncharov, P.E. Lesopatrul'nyy avtomobil' na baze tyazhelogo gruzovogo avtomobilya povyshennoy prohodimosti [Tekst] / P.E. Goncharov, P.I. Popikov, M.A. Gnusov // Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovaniy XXI veka: teoriya i praktika. - 2014. - T. 2. - № 2-2 (7-2). - S. 64-69.
7. Drapalyuk, M.V. Obosnovanie parametrov lesnogo gruntometa s kombinirovannymi rabochimi organami [Tekst] / M.V. Drapalyuk, P.I. Popikov, P.E. Goncharov, M.A. Gnusov // Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovaniy XXI veka: teoriya i praktika. - 2014. - T. 2. - № 2-2 (7-2). - S. 77-81.
8. Buhtoyarov, L.D. Optimizaciya parametrov kombinirovannoy mashiny dlya tusheniya lesnyh pozharov na osnove teoreticheskih i eksperimental'nyh issledovaniy [Tekst] / L.D. Buhtoyarov, M.A. Gnusov, M.V. Shavkov, D.V. Lepilin, D.V. Eskov, A.V. Pod'yablonskiy // Politematicheskiy setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2012. - № 84. - S. 373-382.
9. Eskov, D.V. Optimizaciya parametrov i matematicheskaya model' processa vybrosa grunta kombinirovannym frezernym pozharnym gruntometom [Tekst] /D.V. Eskov // Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovaniy XXI veka: teoriya i praktika. - 2014. - T. 2. - № 4-2 (9-2). - S. 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
