Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Russian Federation
The paper provides an overview of research on the working processes of screw working bodies of technological machines. It is noted that at present such important issues in the theory of auger working bodies as the required number of auger turns, the required position of the auger spiral in relation to the center, etc. have not been fully resolved, since the solution of these issues can provide an increased productivity of the tool. A structural and technological scheme of a forest fire machine with multifunctional modules is proposed, which consists of auger working bodies, which can be changed modularly with a screw metal thread for a brush, depending on the area and type of soil, the rotor of the thrower, with the ability to drive the cutters-throwers and auger working bodies both from the power take-off shaft of the tractor, and using a hydraulic motor, a guide casing. A mathematical model of an auger working body with a hydraulic drive has been compiled for removing the ground cover with forest litter when extinguishing forest fires with a ground gun, so that combustible materials do not fall into the fire zone together with the soil flow from the rotor-thrower. The working process of the hydraulic drive of the auger working bodies of a forest fire ground-sweeping machine is described by a system of differential equations, including the equations of translational and rotational movements of the auger working body and the equation of the flow rate of the working fluid. The problem of optimization of kinematic and dynamic parameters of auger working bodies of forest fire ground-sweeping machine is set
ground cover, augers, forest fire, earth-throwing machine, working process
Введение. Одна из основных трудностей в борьбе с лесными пожарами обычными методами, использующими воду, связана с трудной топографией и с тем фактом, что обычно нет доступных дорог, чтобы приблизить противопожарную технику к очагу возгорания. На сегодняшний день большое количество научных коллективов прорабатывают тематику тушения кромки лесного пожара почвогрунтом. Одним из эффективных средств для профилактики и ликвидации низовых лесных пожаров являются грунтометательные машины, но у них отсутствует оборудование для удаления напочвенного покрова и горючих материалов из потока грунта, подаваемого роторами-метателями в зону огня. На наш взгляд, для этих целей подходят шнековые рабочие органы, которые широко применяются на различных технологических машинах для перемещения пластичных, сыпучих и пылевидных материалов. Однако они имеют серьезные недостатки - низкая производительность и высокая энергоемкость, вследствие чего, почвогрунт прилипает на шнек и не имеет осевого перемещения, кроме этого, замечен повышенный износ винта, также возросли потери на перегрузки. Все это объясняется тем, что уровень теории по шнековым рабочим органам отстает от практических испытаний. Поэтому работа направлена на повышение эффективности применения шнековых рабочих органов на лесопожарных грунтометательных машинах и является актуальной.
Цель исследования. Повышение эффективности профилактики и тушения лесных пожаров путем обоснования кинематических и динамических параметров шнековых рабочих органов лесопожарных грунтометательных машин на основании математической модели их взаимодействия с лесным напочвенным покровом при его перемещении от кромки огня.
Материалы и методы исследования. Теории и экспериментам роторно-винтовых и шнековых машин, где шнек это движитель, посвящены работы Российских учёных: Н.Ф. Кошарного, А.Ф. Николаева, С.В. Рукавишникова, В.И. Вологдина, В.И. Захаренкова, А.П. Куляшова, В.А. Шапкина, а также зарубежных ученых: Дж. Гордона, Х. Дугоффа, Р. Эрлиха, А. Солтынского, Б. Коула и др.
В работе Т.А. Погорова [1] рассмотрен рабочий процесс шнекового рабочего органа косилки с осью вращения в горизонтальной плоскости для осуществления безподпорного среза и измельчения стеблей растений. При исследованиях технологического процесса рабочего органа шнека был определен параметр высоты зуба. Решены уравнения проекций скорости по крайним точкам зуб 1 (рис. 1) в параметрическом виде:
(1)
где 𝞿 – угол разворота ножа в плоскости Y, O, X, равен 𝞿=
;
t – время поворота зуба, с.
В результате проведенных теоретических исследований с помощью программы Microsoft Excel, были получены данные траектории ленты ножа в зоне разрезания растений в зависимости от оборотов рабочего органа, диаметра, угла подъема лезвия шнека (рис. 2).
Рисунок 1. Траектория движения ленты ножа шнекового рабочего органа относительно покрова разрезаемых растений (вид сбоку) [1]
Рисунок 2- Траектория движения лезвия ножа [1]
Конечные параметры опытов вошли в создание мелиоративной косилки КОС-2,5. Данная косилка отлично проявила себя в государственных приемочных испытаниях на Северо-Кавказской машиноиспытательном предприятии.
Закиров М.Ф. [2] провел экспериментальные исследования рабочего процесса малогабаритного шнекороторного снегоочистителя. Рабочий орган шнека, диаметром 0,3 м сделан в виде барабана с ленточной лопастью из острого листа, приваренной к валу диаметром 0,07 м, шириной 0,7 м и проходом лопасти 0,3 м, при угле подъема лезвия рабочего органа шнека всего 17,8°. Данные тензометрических датчиков указывались с преобразователя LTR-212, запитанному от ПК. В ходе испытаний на различных оборотах рабочего органа шнека использовали преобразователь Delta. В эксперименте было установлено, что при скорости движения лабораторной тележки 0,25 км/ч частоты вращения рабочего органа в диапазоне 350-450 об/мин хватает для удаления снега толщиной 110 мм. Общее сопротивление на рабочем органе возрастает в 2-5 раза, для уровня снега 120 и 26 мм. После обработки, полученных данных опытов, был получен график значений сопротивлений на шнековом рабочем органе (рис. 3).
Рисунок 3. Общее сопротивление резанию и перемещению снега шнеком [2]
Задачей будущих опытов является выявление соответствия оптимальной скорости движения базового шасси и частот вращения шнека при различных толщинах снега.
В результате исследований Липина А.А. [3] были получены картины напряженно-деформированного состояния НДС для трех типов грунтов, а) пластичной супеси, б) глины текучей в) насыщенного водой песка (рис. 4). Установлено, что для получения таких зависимостей требуется проведение трудоемких экспериментов по получению экспериментальных зависимостей «нагрузка-перемещение», возникают трудности из-за постоянно меняющейся площади контакта оболочки шнека с грунтовым основанием, также не учитывается особенности деформирования грунта при сложном напряженном состоянии. В настоящее время в области машиностроения наиболее перспективным является использование систем автоматического инженерного анализа на основе метода конечных элементов с использованием объемных моделей.
а) Пластичная супесь б) глина текучая в) насыщенный водой песок
Рисунок 4. Картина распределения перемещений [3]
Исследования А.В. Согина, А.Г. Китова, N.J. Whitehouse [5, 7] предназначены для решения вопросов технологии очистки водоемов. Донные отложения являются глинистыми грунтами, илом, песками и т.п. Проведен анализ кинематических параметров рабочих органов, физическое и механическое свойство грунта. Приведена зависимость скорости перемещения отложений по шнеку, момент сопротивлений на шнеке, объем производительности шнека от радиуса цилиндра, воспроизведены в программе Math CAD (рис. 5).
Рисунок 5. Зависимость момента сопротивления на шнеке от радиуса базовой точки шнека [5]
В работе Бартенева И.М., Малюкова С.В., Nunez-Regueira L., Parahina V.N. [4, 8, 9, 12-15] использовано математическое моделирование рабочих процессов шнековых рабочих органов лесопожарной машины, при котором лесной грунт представляется множеством (порядка 6000) шарообразных элементов (диаметром порядка 7 см). Из геометрических параметров шнекового барабана наиболее важными являются глубина нарезки (или высота винтовой полосы) h и шаг винта s. Для исследования глубины ленты был проведен компьютерный эксперимент из 7 серий, в которых изменили h от 4 до 16 см с шагом в 4 см.
Мощность, потребляемая грунтометательной машиной, около 16-24 кВт, при этом основная часть мощности потребляется шнековым барабаном, который глубоко внедрятся в почвенный покров. Оптимальная глубина нарезки шнекового барабана должна быть в пределах 8-10 см, при которой шнек практически полностью очищает рабочую полосу от напочвенного слоя, но в то же время не слишком сильно заглублен, чтобы вызвать большие потери мощности. В этом случае доля напочвенного покрова в метаемом грунте составляет 11-15 %, производительность грунтомета – около 41 кг/с, потребляемая – мощность 11-16 кВт.
Таким образом, анализ исследований, проведенных в смежных научных областях, позволяет проводить дальнейшее изучение процессов взаимодействии шнековых рабочих органов лесопожарных грунтометательных машин с напочвенным покровом.
Результаты и обсуждения. На основании совместных исследований с проф. Бартеневым И.М. [6, 9, 10, 11] предлагается конструктивно-технологическая схема лесопожарной грунтометательной машины с многофункциональными модулями: шнековых рабочих органов, которые возможно менять модульно с винтовой металлической нарезкой на щеточную, в зависимости от участка и вида почвы в зависимости от участка и вида почвы, ротора метателя с возможностью замены на роторы-метатели с различной формой и расположением лопаток, осуществлять привод фрез –метателей и шнековых рабочих органов от вала отбора мощности трактора, так и от гидромоторов, регулируемого кожуха-направителя с возможностью изменять направленный поток грунта (рис. 6).
Согласно расчетной схемы (рис.7) нами оставлена математическая модель шнекового рабочего органа с гидроприводом для удаления напочвенного покрова с лесной подстилкой, чтобы горючие материалы не попадали в зону огня вместе с потоком грунта от ротора-метателя.
рама- 1, механизм навески- 2, шнековый рабочий орган- 3, гидромотор привода шнека- 4, сферические диски- 5, съемная режущая кромка- 6, гидромоторы привода сферических дисков-7 , фрезы-метатели 8 и 9, гидромоторы привода фрез-метателей- 10 и 11, выносной гидроцилиндр- 12, вертикальная ось- 13, щитки-направители- 14, стойка- 15, рыхлитель- 16, пружины растяжения -17, опорные катки- 18.
Рисунок 6 – Конструктивно-технологическая схема лесопожарной грунтометательной машины с шнековыми рабочими органами для удаления напочвенного покрова (собственные разработки).
Рисунок 7. Расчетная схема шнекового рабочего
органа (собственные разработки)
Рабочий процесс шнековых рабочих органов лесопожарной грунтометательной машины описан системой дифференциальных уравнений, включающей уравнения поступательного и вращательного движения шнекового рабочего органа и уравнения расходов рабочей жидкости в гидроприводе:
1. Lobanov, G. L. Matematicheskaya model' traektorii dvizheniya nozhey shnekovogo rezhuschego apparata v zone rezaniya stebley rasteniy / G. L. Lobanov, T. A. Pogorov // Nauchnyy zhurnal Rossiyskogo NII problem melioracii. - 2017. - №. 1 (25).
2. Zakirov, M. F. Issledovanie vliyaniya shaga shneka na moschnost' privoda pitatelya malogabaritnogo shnekorotornogo snegoochistitelya / M. F. Zakirov // Intellektual'nye sistemy v proizvodstve. - 2015. - №. 2. - S. 56-57.
3. Lipin, A. A. Staticheskiy prochnostnoy raschet sistemy «shnek-grunt» / A. A. Lipin, A. D. Strizhak // Nauka segodnya: global'nye vyzovy i mehanizmy razvitiya. - 2017. - S. 17-19.
4. 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 / I.M. Bartenev, P.I. Popikov, S.V. Malyukov // IOP Conference Series: Earth and Environmental. - 2019. - no. 226 (1). - 012052. - DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/226/1/012052. DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/226/1/012052.
5. Sogin, A. V. Sredstva gidromehanizicii dlya ochistki vodnyh ob'ektov ot donnyh otlozheniy: diss. … dok. teh. nauk / A.V.Sogin. - M., 2011. 360 s.
6. Bartenev, I. M. Analiz rabochih organov tehnicheskih sredstv dlya tusheniya lesnyh pozharov / I. M. Bartenev, A. K. Pozdnyakov // Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovaniy XXI veka: teoriya i praktika. - Voronezh, 2020. - №1 (48). - S. 119-122. DOI:https://doi.org/10.34220/2308-8877-2020-8-1-119-122.
7. Whitehouse, N. J. Forest fires and insects: palaeoentomological research from a subfossil burnt forest / N. J. Whitehouse // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. - 2000. - T. 164. - №. 1-4. - S. 231-246.
8. Nunez-Regueira, L. Calculation of forest biomass indices as a tool to fight forest fires / L. Nunez-Regueira [et al.] // Thermochimica Acta. - 2001. - T. 378. - №. 1-2. - S. 9-25. DOI:https://doi.org/10.15372/SJFS20150609.
9. Bartenev, I. M. Kombinirovannyy lesopozharnyy gruntomet i rekomendacii po ego primeneniyu \ I. M. Bartenev [i dr.] // Politematicheskiy setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2012. - №. 84.
10. Patent № 2684940 Rossiyskaya Federaciya, MPK E02 F 3/18. Pozharnyy gruntomet-polosoprokladyvatel' : № 2016104672; zayavl. 09.07.2018; opubl. 16.04.2019 / I.M. Bartenev, P.I. Popikov, S.V. Malyukov, S.V. Zimarin, N.A. Sherstyukov; zayavitel' i patentoobladatel' FGBOU VO «VGLTU im. G.F. Morozova».
11. Drapalyuk, M. V. Matematicheskaya model' processa podachi i vybrosa grunta rabochimi organami kombinirovannoy mashiny dlya tusheniya lesnyh pozharov / M. V. Drapalyuk [i dr.] //Politematicheskiy setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2012. - №. 84.
12. Gnusov M. A., Popikov P. I., Malyukov S. V., Sherstyukov N. A., Pozdnyakov A. K. - 2020. / Povyshenie effektivnosti preduprezhdeniya i tusheniya lesnyh pozharov s pomosch'yu lesopozharnoy mashiny. // V Serii konferenciy IOP: Materialovedenie i inzheneriya (Tom 919, № 3, str. 032025). Izdatel'stvo VGD.
13. Kruggel-Emden, H., Wirtz, S., & Scherer, V. (2008). / A study on tangential force laws applicable to the discrete element method (DEM) for materials with viscoelastic or plastic behavior. // Chemical Engineering Science, 63(6), 1523-1541.
14. Tsunazawa, Y., Shigeto, Y., Tokoro, C., & Sakai, M. (2015). / Numerical simulation of industrial die filling using the discrete element method. // Chemical engineering science, 138, 791-809. DOI:https://doi.org/10.14419/ijet.v7i2.23.11876.
15. Guo, Y., & Curtis, J. S. (2015). / Discrete element method simulations for complex granular flows. // Annual Review of Fluid Mechanics, 47, 21-46.
