Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
When solving the problem of increasing the efficiency of a forest fire soil-throwing machine containing a multi-stage rotor-thrower, a design is proposed in which the soil shaft is fully fed simultaneously to all blades of the multi-stage rotor-thrower. Determination of the kinematic parameters of the throwing process must be modeled taking into account physical and mechanical properties of soil. The purpose of this work is to increase the effectiveness of the prevention and extinguishing of forest fires with soil, by substantiating the parameters of a soil-throwing machine based on simulation of the working process of a rotor-thrower. As a result of the computational experiment, graphs are presented for determining the soil outlet angle and the ejection range with a zero blade inclination angle and for determining the soil outlet angle and ejection distance with a combined blade inclination angle. For given values of disk radii, the maximum soil fraction is ejected by the third disk, and the minimum by the first one. Therefore, the result of the computational experiment on the ratio predictably places the maximum amount of soil (more than 30%) at the distance of overlapping the trajectories of movement of soil particles ejected by the first and third disks, namely, in the range from 10.4-11.2 m. Thus, the software package can calculate not only the trajectory of soil movement depending on the design and technological parameters of the thrower rotor, by which it is possible to estimate the size of the ejection layer, but also the distribution of soil in the layer. The distribution obtained as a result of a computational experiment can be used to accumulate a database on the range of the largest part of the ejected soil and to refine the layer of maximum backfilling, taking into account physical and mechanical properties of soil
working body, soil thrower, fire-break maker, soil, simulation model
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:
(1)
Длительность полёта почвогрунта τ можно определить из вполне логичного предположения, что в момент времени падения y(t)=0. Таким образом, в результате решения квадратного уравнения получим модельное соотношение:
(2)
С учётом (1) дальность метания будет определяться формульным соотношением:
(3)
Соотношение (3) определяет кинематический параметр процесса метания почвогрунта в зависимости от угла вылета, величины скорости изначальной высоты метания. Эти параметры в случае использования трёхступенчатого ротора-метателя будут определяться такими конструктивными параметрами, как радиусы дисков, длина и угол наклона лопатки с учётом соотношений (1 и 2).
При нулевом угле наклона лопатки величина угла метания полностью определяется соотношением (2). Для уменьшения разброса почвогрунта от дисков ротора-метателя был введён такой конструктивный параметр, как угол наклона лопаток γ. При его комбинированном подборе можно добиться уменьшения разброса практически вдвое (рисунок 2 б). Корректирование аксиоматики для угла и скорости метания трансформирует формульные соотношения:
Определение кинематических параметров процесса метания необходимо моделировать с учётом физико-механических свойств почвогрунта. В противном случае модель нельзя будет адаптировать к различным типам почвогрунта, а также к его слоистости. Поэтому классические модели, используемые для определения таких кинематических параметров, как дальность метания и разброс почвогрунта требуют дальнейшей корректировки при условии сохранения их зависимости от технологических и конструктивных параметров ротора-метателя и функциональных факторов гидромотора и гидронасоса. В рамках такого подхода предлагаем адаптировать соотношения (1) к условиям решаемой задачи, оставив аксиомы для определения скорости вращения без корректировки.
Основной кинематической характеристикой имитационного моделирования процесса метания почвогрунта является его траектория. Поэтому в качестве выходной характеристики процесса была выбрана в двухкоординатном приближении функция y(x). При этом для имитации траектории движения в качестве базовых аксиом выбраны рекуррентные соотношения для координат частиц повогрунта в дискретные моменты времени tj. Число дискретных моментов времени определяется шаговым интервалом моделирования (в настоящей реализации программного комплекса эта величина составляет 0,01 с)
(4)
В этих соотношениях i=1,2,3 – номер диска ротора-метателя, соответственно угол и скорость метания почвогрунта моделируются соотношениями:
При этом hi – высота метания для каждого диска определяется согласно конструктивным параметрам ротора-метателя из таблицы 1, рассчитанной из величины радиусов ступеней ротора-метателя.
1. 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.
2. Zimarin S.V. Rezul'taty eksperimental'nyh issledovaniy rezhimov raboty lesopozharnogo polosoprokladyvatelya s gidroprivodom vyreznyh diskovyh rabochih organov/ S.V.Zimarin, M.A.Gnusov, V.P.Popikov, N.A.Sherstyukov//Lesotehnicheskiy zhurnal.- 2021. -T. 11. -№ 1 (41).- S. 155-162.
3. 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
4. Gnusov M. A., Drapalyuk M. V., Druchinin D. Y. Theoretical study of forest fire extinguishing machine use //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2020. - T. 1515. - №. 5. - S. 052066.
5. Bartenev I , Malyukov S, Gnusov M and Stupnikov D. 2018 Study of efficiency of soil-thrower and fire-break majer on the basis of mathematic simulation. International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 9. 1008-1018.
6. Increasing the efficiency of the working process of a forest fire ground-sweeping machine with an energy - saving hydraulic drive of the throwing rotor Popikov P.I., Gnusov M.A., Popikov V.P., Sharov A.V. V sbornike: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Ser. "International Scientific and Practical Conference Environmental Risks and Safety in Mechanical Engineering, ERSME 2020" 2020. S. 012021.
7. Bartenev I. M., Petkov A. F., Kamalova N. S. Mathematical model of the working process of a rotor-thrower of a forest fire ground-throwing machine // Forestry Journal. - 2021. - Vol. 11. - №. 1 (41). - Pp. 172-180.
8. Sun Z. et al. Technology of locating loose particles inside sealed electronic equipment based on Parameter-Optimized Random Forest //Measurement. - 2021. - T. 186. - S. 110164.
9. Lesopozharnaya gruntometatel'naya mashina. Bartenev Ivan Mihaylovich, Popikov Petr Ivanovich, Petkov Aleksandr Fedorovich, Pozdnyakov Anton Konstantinovich. patent na izobretenie 2762965 c1, 24.12.2021. Zayavka № 2021121717 ot 21.07.2021.
10. Cunadzava, Yu., Sigeto, Yu., Tokoro, S. i Sakai, M. (2015). / Chislennoe modelirovanie processa zapolneniya promyshlennyh shtampov metodom diskretnyh elementov. // Himicheskaya inzhenernaya nauka, 138, 791-809. DOI:https://doi.org/10.14419/ijet.v7i2.23.11876.
11. Didmanidze O. N., Andreev O. P., Parlyuk E. P. Optimizaciya parametrov mashinno-traktornyh agregatov. - 2017.
12. Sun Z. et al. Technology of locating loose particles inside sealed electronic equipment based on Parameter-Optimized Random Forest //Measurement. - 2021. - T. 186. - S. 110164.
13. Mehanika zhidkosti i gaza [Tekst] : laboratornyy praktikum / N. S. Kamalova [i dr.] ; N. S. Kamalova, N. Yu. Evsikova, V. I. Lisicyn, V. V. Saushkin ; M-vo nauki i vysshego obrazovaniya Ros. Federacii, Fed. gos. byudzhet. obrazovat. uchrezhdenie vyssh. obrazovaniya "Voronezh. gos. lesotehn. un-t im. G. F. Morozova". - Voronezh, 2018. - 67 s.
14. Larichev, O. I. Teoriya i metody prinyatiya resheniy, a takzhe Hronika sobytiy v Volshebnyh stranah: Uchebnik. 3-e izd., pererab. i dop. / O. I. Larichev. - Moskva: Universitetskaya kniga, Logos, 2008. - 392 s.
15. Saati, T. Prinyatie resheniy. Metod analiza ierarhiy / T. Saati; per. s angl. R.G. Vachnadze. - Moskva: Radio i svyaz', 1993. - 278 s.
16. Denisova, O. K. Primenenie metoda analiza ierarhiy dlya ranzhirovaniya biznes-processov (na primere vuza) / O. K. Denisova // Nauchno-tehnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo politehnicheskogo universiteta. Ekonomicheskie nauki. - 2013. - № 1-1 (163). - S. 166-173.
17. Kuznecov D.S., Pozdnyakov E.V., Evsikova N.Yu. Primenenie metoda analiza ierarhiy dlya obosnovaniya vybora naibolee effektivnogo korchevatelya // Voronezhskiy nauchno-tehnicheskiy vestnik. 2020. T. 1, № 1(31). S. 133-139.
18. Knyazev A.G., Kamalova N.S., Yudin R.V. Sistemnyy podhod k sravnitel'nomu analizu plugov dlya obrabotki pochv pri lesovosstanovlenii // Voronezhskiy nauchno-tehnicheskiy Vestnik. 2020. T. 4. № 4 (34). S. 23-29.
